Actualizado 13/12/2018

Investigadores españoles logran reproducir funciones complejas cerebrales in vitro

Noticia | Trastorno Bipolar | 15/11/2018

RESUMEN

Uno de los rasgos más importantes y sorprendentes del cerebro es su capacidad para reconfigurar dinámicamente las conexiones para procesar y responder adecuadamente a los estímulos. Con herramientas de neuroingeniería, investigadores de la Universidad de Tohoku (Sendai, Japón) y de la Universidad de Barcelona, han creado circuitos neuronales in vitro que reproducen la capacidad de segregación e integración de los circuitos cerebrales y permiten comprender las claves de la reconfiguración dinámica.

La reconfiguración dinámica se entiende como el fortalecimiento o debilitamiento de las conexiones al aumentar o disminuir la actividad neuronal. En el cerebro, un aumento en la cohesión de los circuitos neuronales se conoce como integración, y una disminución se conoce como segregación. "Este estudio muestra la importancia de la organización modular para maximizar la flexibilidad de un circuito neuronal y el potencial de las herramientas in vitro y los modelos biofísicos para avanzar en la comprensión de los fenómenos colectivos en un sistema complejo tan fascinante y rico como el cerebro" dice el coautor del estudio Jordi Soriano, investigador del Instituto de Sistemas Complejos de la UB (UBICS).

La integración está vinculada al intercambio rápido de información entre circuitos diferentes y distantes, mientras que la segregación está asociada al procesamiento de información en circuitos localizados. El cerebro pasa de un estado segregado a uno integrado según la naturaleza y la fuerza de los estímulos. La reconfiguración dinámica evita la creación y destrucción de conexiones físicas, una estrategia tan ineficaz como energéticamente costosa.

Por lo tanto, los estímulos que llegan a través de la vista, el oído y el olfato, se procesan de forma segregada en la corteza cerebral para integrarse parcial o totalmente según las necesidades. Mientras vemos una película, integramos imágenes y sonidos, ignorando olores y otros estímulos. Sin embargo, cuando notamos un olor a algo que se está quemando, el cerebro entra en un estado de advertencia, de modo que integramos y analizamos toda la información disponible para tomar decisiones rápidas.

A pesar de la importancia de la integración y la segregación, los mecanismos biofísicos vinculados a las reconstrucciones dinámicas aún no se conocen bien. Además, otro elemento desconocido es la sensibilidad de la capacidad de integración-segregación con respecto a la cantidad de conexiones físicas existentes entre las regiones del cerebro.

COMPRENDER LOS MECANISMOS QUE FORMAN LA DINÁMICA CEREBRAL
El modelo cerebral in vitro que los investigadores desarrollaron consta de cuatro módulos interconectados, como se detalla en un artículo publicado en 'Science Advances'. Cada módulo representa un circuito neuronal especializado (vista o audición, por ejemplo). Estos cuatro módulos están cubiertos por proteínas adhesivas y nutrientes donde se desarrollan las neuronas. Estas neuronas están conectadas entre ellas dentro de un módulo y con otras neuronas en otros módulos.

La neuroingeniería de precisión permite controlar las conexiones que van de un módulo a otro y, por lo tanto, permite ajustar el nivel de acoplamiento físico entre los módulos. Los estímulos en este modelo corresponden a activaciones neuronales espontáneas.

Usando imágenes de calcio fluorescente para detectar activaciones neurales, los científicos estudiaron la capacidad del circuito para integrarse o segregarse espontáneamente, dependiendo del nivel de conectividad entre los módulos y otros factores.

"Lo que vimos es que el circuito está totalmente integrado o segregado cuando el número de conexiones entre los módulos es demasiado grande o demasiado pequeño. El circuito óptimo es aquel en el que cuatro módulos tienen una conectividad justo por debajo del mínimo para integrarse, de modo que la actividad neuronal emita pulsos suficientes para reforzar las conexiones y completar la integración", señala Hideaki Yamamoto, investigador de la Universidad de Tohoku.

"Efectivamente, este circuito óptimo, activado de forma espontánea, funciona en un régimen donde coexisten la integración y la segregación. Por supuesto, la dinámica observada aún está lejos de la complejidad del cerebro real, pero pudimos comprender mejor los mecanismos fundamentales que dan forma a la dinámica cerebral ", concluye Yamamoto.

 



Fuente periodística: Europa Press
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