Representación gráfica de redes neuronales en el cerebro. Foto: Bernstein Centre Freiburg.
Las neuronas no están dispuestas al azar en el cerebro humano. En la corteza, se organizan en grupos interconectados con alta conectividad intrínseca.
Esta estructura de conectividad modular, en la que los grupos de neuronas se desenvuelven como unidades funcionales, se forma en las primeras fases de desarrollo del cerebro.
Este proceso de organización neuronal, que establece un orden en la arquitectura cerebral, está regulado por la propia actividad de las neuronas, pero hasta ahora se desconocía cómo consigue el cerebro embrionario establecer redes neuronales activas y en equilibrio, desde etapas tan tempranas de su desarrollo.
Una nueva investigación desarrollada en la Universidad de Friburgo ha descubierto cómo se consigue esta proeza cerebral: es el resultado de la interacción de dos procesos neuronales diferentes.
Uno de estos procesos es el crecimiento de las neuronas, que sigue unos patrones específicos. El otro proceso es el de la migración que realizan las neuronas desde que nacen hasta ocupar el lugar específico asignado en la organización cerebral.
Esta investigación ha podido determinar que la interacción entre ambos procesos es lo que permite al cerebro construir las redes neuronales que sustentan los procesos cognitivos.
Esta interacción no sólo organiza a las neuronas en conjuntos sinápticos que funcionan como unidades individuales, sino que también establece la modularidad de la red neuronal, que es la capacidad de subdividir una función en partes más pequeñas (llamadas módulos) para desempeñar funciones específicas con mayor eficacia.
Células sociales
Las neuronas son células sociales que, a la larga, mueren de forma aislada. Durante su desarrollo desencadenan procesos celulares, denominados neuritas, para establecer conexiones sinápticas con otras neuronas y formar así circuitos o redes neuronales.
Estos procesos se regulan por sí mismos: cuando una conexión sináptica sobrepasa su capacidad receptora, inmediatamente deja de crecer e incluso renuncia a conexiones y reduce el tamaño de la red neuronal.
De esta forma, el cerebro evita la sobrexcitación de la red neuronal y consigue que ese circuito se concentre específicamente en la tarea asignada.
La nueva investigación ha podido establecer, mediante simulaciones por ordenador, que para crear nuevas redes neuronales, las células nerviosas no solo desarrollan procesos biológicos para establecer conexiones sinápticas (neuritas), sino que también migran hacia otras neuronas para para aumentar la probabilidad de conexiones.
"En simulaciones por ordenador demostramos que la migración y el crecimiento de neuritas pueden interactuar para dar forma a arquitecturas de red específicas", explica al respecto el neurocientífico Samora Okujeni, uno de los protagonistas de esta investigación, en un comunicado.
Esa interacción entre los procesos de crecimiento y migración es la que regula la relación entre la conectividad local dentro de los clústeres y la conectividad entre clústeres de largo alcance y, por lo tanto, el grado de modularidad de la red neuronal, señalan los investigadores.
Gracias a esta interacción, se generan los patrones espacio temporales de la actividad neuronal, que son cruciales para el desarrollo de la corteza cerebral, añaden.
Esta estructura de conectividad modular, en la que los grupos de neuronas se desenvuelven como unidades funcionales, se forma en las primeras fases de desarrollo del cerebro.
Este proceso de organización neuronal, que establece un orden en la arquitectura cerebral, está regulado por la propia actividad de las neuronas, pero hasta ahora se desconocía cómo consigue el cerebro embrionario establecer redes neuronales activas y en equilibrio, desde etapas tan tempranas de su desarrollo.
Una nueva investigación desarrollada en la Universidad de Friburgo ha descubierto cómo se consigue esta proeza cerebral: es el resultado de la interacción de dos procesos neuronales diferentes.
Uno de estos procesos es el crecimiento de las neuronas, que sigue unos patrones específicos. El otro proceso es el de la migración que realizan las neuronas desde que nacen hasta ocupar el lugar específico asignado en la organización cerebral.
Esta investigación ha podido determinar que la interacción entre ambos procesos es lo que permite al cerebro construir las redes neuronales que sustentan los procesos cognitivos.
Esta interacción no sólo organiza a las neuronas en conjuntos sinápticos que funcionan como unidades individuales, sino que también establece la modularidad de la red neuronal, que es la capacidad de subdividir una función en partes más pequeñas (llamadas módulos) para desempeñar funciones específicas con mayor eficacia.
Células sociales
Las neuronas son células sociales que, a la larga, mueren de forma aislada. Durante su desarrollo desencadenan procesos celulares, denominados neuritas, para establecer conexiones sinápticas con otras neuronas y formar así circuitos o redes neuronales.
Estos procesos se regulan por sí mismos: cuando una conexión sináptica sobrepasa su capacidad receptora, inmediatamente deja de crecer e incluso renuncia a conexiones y reduce el tamaño de la red neuronal.
De esta forma, el cerebro evita la sobrexcitación de la red neuronal y consigue que ese circuito se concentre específicamente en la tarea asignada.
La nueva investigación ha podido establecer, mediante simulaciones por ordenador, que para crear nuevas redes neuronales, las células nerviosas no solo desarrollan procesos biológicos para establecer conexiones sinápticas (neuritas), sino que también migran hacia otras neuronas para para aumentar la probabilidad de conexiones.
"En simulaciones por ordenador demostramos que la migración y el crecimiento de neuritas pueden interactuar para dar forma a arquitecturas de red específicas", explica al respecto el neurocientífico Samora Okujeni, uno de los protagonistas de esta investigación, en un comunicado.
Esa interacción entre los procesos de crecimiento y migración es la que regula la relación entre la conectividad local dentro de los clústeres y la conectividad entre clústeres de largo alcance y, por lo tanto, el grado de modularidad de la red neuronal, señalan los investigadores.
Gracias a esta interacción, se generan los patrones espacio temporales de la actividad neuronal, que son cruciales para el desarrollo de la corteza cerebral, añaden.
Metodología
Los científicos comprobaron las predicciones del modelo informático investigando cómo la migración celular, el crecimiento de neuritas y la actividad neuronal, interactúan realmente en el desarrollo de las redes de neuronas corticales en ratas de laboratorio.
Para observar y modular la migración celular en estas redes, manipularon una enzima que está involucrada especialmente en la regulación del citoesqueleto neuronal de las ratas.
Y observaron que, de la misma forma que había ocurrido en sus simulaciones, la migración celular y el crecimiento neuronal promovieron la conectividad modular en los cerebros de las ratas de laboratorio.
Observaron asimismo que la agrupación de neuronas en red propició primero la generación de actividad cerebral y después el incremento de esa actividad inicial, confirmando así que se trataba de una red neuronal nueva y operativa.
Por último, constataron que el aumento de la actividad de la red neuronal estaba controlado a través de un canal de calcio que mantiene el equilibrio entre el crecimiento de la dinámica neuronal y la sobreexcitación.
Los científicos comprobaron las predicciones del modelo informático investigando cómo la migración celular, el crecimiento de neuritas y la actividad neuronal, interactúan realmente en el desarrollo de las redes de neuronas corticales en ratas de laboratorio.
Para observar y modular la migración celular en estas redes, manipularon una enzima que está involucrada especialmente en la regulación del citoesqueleto neuronal de las ratas.
Y observaron que, de la misma forma que había ocurrido en sus simulaciones, la migración celular y el crecimiento neuronal promovieron la conectividad modular en los cerebros de las ratas de laboratorio.
Observaron asimismo que la agrupación de neuronas en red propició primero la generación de actividad cerebral y después el incremento de esa actividad inicial, confirmando así que se trataba de una red neuronal nueva y operativa.
Por último, constataron que el aumento de la actividad de la red neuronal estaba controlado a través de un canal de calcio que mantiene el equilibrio entre el crecimiento de la dinámica neuronal y la sobreexcitación.
Referencia
Self-organization of modular network architecture by activity-dependent neuronal migration and outgrowth. Samora Okujeni, Ulrich Egert. eLife 2019;8:e47996. DOI: 10.7554/eLife.47996
Self-organization of modular network architecture by activity-dependent neuronal migration and outgrowth. Samora Okujeni, Ulrich Egert. eLife 2019;8:e47996. DOI: 10.7554/eLife.47996