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» » » Simples cálculos matemáticos subyacen en los circuitos cerebrales

Referencia: Kurzweilai.net, 9 de agosto 2012

El descubrimiento de cómo algunas neuronas inhiben a otras podría aclarar cosas sobre el autismo y otros trastornos neurológicos.

Los neurocientíficos del MIT informan que hay principalmente dos clases de células cerebrales que reprimen la actividad neuronal en determinadas formas matemáticas: Una de ellas lo sustrae de la activación general, mientras que la otra lo divide.

El cerebro tiene miles de millones de neuronas, organizadas en circuitos complejos que nos permiten percibir el mundo, controlar nuestros movimientos y tomar decisiones. Descifrar esos circuitos es fundamental para la comprensión de cómo funciona el cerebro y de lo que va mal en los trastornos neurológicos.

"Estos son cálculos muy simples, aunque profundos", señala el profesor de Neurociencias, Paul E. Newton de Mriganka Sur, y autor principal del artículo publicado en Nature. "El principal desafío para la neurociencia es el de conceptualizar cantidades inmensas de datos en un marco que las sitúe en el lenguaje de la computación. Era un misterio cómo estos distintos tipos de células podían lograrlo."

Estos hallazgos podrían ayudar a los científicos a aprender mucho más acerca de estas enfermedades, que se piensa que son causadas por desequilibrios en la inhibición y la excitación del cerebro, incluyendo el autismo, la esquizofrenia y el trastorno bipolar.

Un delicado equilibrio

Hay cientos de diferentes tipos de neuronas en el cerebro, la mayoría son excitatorias, mientras que una pequeña fracción son inhibidoras. Todo el procesamiento sensorial y la función cognitiva surge de un delicado equilibrio entre estas dos influencias. Los desequilibrios en la excitación y la inhibición están asociados con la esquizofrenia y el autismo.

"Hay una creciente evidencia de que las alteraciones en la excitación y la inhibición se hallan en el centro de muchos subconjuntos de trastornos neuropsiquiátricos", continúa P. E. Newton, también director del Simons Center for the Social Brain en el MIT. "Tiene sentido, porque no se trata de trastornos de la forma básica en que está construido el cerebro, sino trastornos sutiles de los circuitos cerebrales y que afectan a sistemas del cerebro muy específicos, como el cerebro social."

En el estudio de Nature, los investigadores estudiaron estas dos clases principales de neuronas inhibitorias. Una, conocida como las interneuronas que expresan la parvalbúmina (PV), se dirige a los cuerpos celulares de las neuronas. La otra, conocida como las interneuronas que expresan la somatostatina (SOM), que se dirige a las dendritas, que son pequeñas proyecciones ramificadas de otras neuronas. Tanto la una como la otra inhiben un tipo de neurona conocida como células piramidales (para el rol de las neuronas PV en la inhibición de la neurogénesis, vea "Cómo las células madre del cerebro averiguan cuándo fabricar nuevas neuronas").

Observando reacciones de las neuronas activadas

En primer lugar, los investigadores programaron genéticamente, ya sean las células PV o las SOM en ratones, para producir una proteína sensible a la luz llamada canalrodopsina.

Para estudiar cómo estas neuronas ejercen su influencia, los investigadores tuvieron que desarrollar una forma de activar de forma específica dichas neuronas, entonces observaron las reacciones de las células piramidales de destino, todo ello en el cerebro vivo.

Cuando está embebida en las membranas celulares de las neuronas, la canalrodopsina controla el flujo de iones dentro y fuera de las neuronas, alterando su actividad eléctrica. Esto permite a los investigadores poder estimular las neuronas por la luz incidente sobre ellas.

El equipo combinó esto con el calcio, tal como está dentro de las células piramidales. Los niveles de calcio reflejan la actividad eléctrica de una célula, lo que permite a los investigadores determinar la cantidad de actividad que fue reprimida por las células inhibitorias.

"Hasta hace quizá tres años, sólo se podía grabar a ciegas cualquier célula del cerebro, pero ahora realmente podemos dirigir nuestra grabación y manipulación de una clase de células bien definida", comentó Runyan.

Descodificando los cálculos del circuito cerebral: Sustracción versus división

En este estudio, los investigadores querían ver cómo la activación de estas neuronas inhibitorias influyen en la forma en que el cerebro procesa la información visual, en este caso, las barras horizontales, verticales o inclinadas. Cuando se presenta un estímulo, las células individuales del ojo responden a los puntos de luz, entonces transmiten esa información al tálamo, que a su vez, lo transmite a la corteza visual. La información va quedando espacialmente codificada a medida que viaja a través del cerebro, por lo que la barra horizontal activará las filas correspondientes de células cerebrales.

Estas células reciben las señales inhibitorias, que ayudan a afinar su respuesta y evitar la sobreestimulación. El equipo del MIT descubrió que estas señales inhibitorias tienen dos efectos distintos: la inhibición por las neuronas SOM, restan del montante total de actividad de las células diana, mientras que la inhibición por parte de las neuronas PV, dividen del montante total de actividad de las células diana.

"Ahora que por fin tenemos la tecnología para separar el circuito, podemos ver lo que hace cada uno de los componentes, y en lo que hemos encontrado hay una profunda lógica de cómo están diseñadas estas redes de forma natural", dice Wilson.

Estos dos tipos de inhibición también tienen efectos diferentes en el rango de respuestas celulares. Cada neurona sensorial responde únicamente a un determinado subconjunto de estímulos, como una gama amplia de brillo de luz o una localización. Cuando la actividad se divide por la inhibición PV, la célula diana todavía responde a la misma gama de entradas; sin embargo, con la sustracción debida a la inhibición SOM, el rango de entradas a las que  responden las células se hace más estrecho, volviendo a la célula más selectiva.

"Conceptualmente, la inhibición por sustracción y división es una distinción agradable", apunta Tony Zador, profesor de neurociencia en el Laboratorio Cold Spring Harbor, que no participó en la investigación. "Es una alegría, cuando algo tan teóricamente atractivo como la división y la sustracción realmente mapea el sustrato fisiológico de manera fundamental".

El incremento de la inhibición por las neuronas PV también cambia un rasgo conocido como ganancia de respuesta, una medida de cómo muchas células responden a los cambios de contraste. La inhibición por las neuronas SOM no altera la ganancia de respuesta.

Los investigadores creen que este tipo de circuito, probablemente, se repita por todo el cerebro, y que esté involucrado en otros tipos de percepción sensorial, así como en las funciones cognitivas superiores.

El laboratorio de Sur, ahora planea estudiar el papel de las  neuronas inhibidoras PV y SOM en un modelo de ratón con autismo. Estos ratones carecen de un gen llamado MeCP2, dando lugar al Síndrome de Rett, una enfermedad poco frecuente que produce síntomas parecidos al autismo, además de otras alteraciones neurológicas y físicas. Utilizando esta nueva tecnología, los investigadores quieren probar la hipótesis de que es la falta de inhibición neuronal lo que subyace a la enfermedad.


- Imágenes: Nathan R. Wilson et al./Nature. 1) Mapeo óptico de la inhibición funcional en las neuronas. 2) Estimulación óptica. 3) Exploración de calcio en células.
- Publicación: Nathan R. Wilson, Caroline A. Runyan, Forea L. Wang, Mriganka Sur, Division and subtraction by distinct cortical inhibitory networks in vivo, Nature, 2012, DOI: 10.1038/nature11347 .
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Editor del blog Pedro Donaire

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