Para comunicarse, las neuronas tienen que enfrentarse a un ambiente ruidoso. © Proyecto Blue Brain / EPFL
Investigadores del proyecto Blue Brain en la Escuela Politécnica Federal de Lausana han descubierto cómo el cerebro encuentra el orden dentro del caos en el que muchas veces se encuentran las neuronas cuando quieren comunicarse entre sí. Los resultados se publican en Nature Communications.
Utilizando técnicas avanzadas de simulación para examinar cómo las neuronas se comunican entre sí mientras se ahogan en un entorno caótico, los investigadores descubrieron que, trabajando en equipo, las neuronas corticales pueden responder incluso a estímulos débiles en un contexto de ruido y caos, lo que permite que el cerebro encuentre el orden.
El interior del cerebro activo es un aparente caos. Las neuronas se comunican entre sí emitiendo pulsos rápidos de señales eléctricas llamadas picos. Pero a veces este proceso falla y es imposible saber cuándo se va a producir el error en la frecuencia de picos. Cuando esto ocurre, la información deviene ruido.
Además, cuando los dos tipos básicos de neuronas corticales (excitadores e inhibidores) están interconectadas en una red, aumentan las pequeñas incertidumbres en sus patrones de actividad. Esto provoca patrones impredecibles, un comportamiento neuronal llamado caos.
Este contexto de ruido y caos sugiere que las neuronas corticales individuales no pueden encontrar el orden y enviar picos consistentes, por lo que hasta ahora ha sido un misterio saber cómo el cerebro establece la certeza de la información que transmiten las neuronas.
Las manipulaciones experimentales requeridas para desentrañar las fuentes de ruido en el cerebro y evaluar su impacto en la actividad neuronal son imposibles de realizar en un animal vivo, e incluso en tejidos cerebrales separados in vitro, señalan los investigadores.
"En este momento, simplemente no es posible controlar todos los miles de estímulos que provienen de todo el cerebro en una neurona in vivo, ni activar y desactivar diferentes fuentes de ruido", dice el investigador principal, Max Nolte, en un comunicado.
Modelo informático
La aproximación más cercana del tejido cortical en esos momentos de ruido y caos sólo se ha conseguido hasta ahora mediante un modelo informático que ha reconstruido digitalmente la actividad neuronal a través del microcircuito neocortical de la rata (Cell, 2015).
Este modelo informático ha proporcionado la plataforma ideal para que los investigadores estudien en qué medida el cerebro puede escuchar las voces de las neuronas individuales, ya que contiene modelos relacionados con los datos de transmisión de señales irregulares entre neuronas.
Usando este modelo, los investigadores han descubierto que la actividad generada espontáneamente por neuronas interconectadas es muy ruidosa y caótica, con períodos de picos muy diferentes en cada repetición.
Esta inestabilidad aumenta la frecuencia de señales de neurotransmisores poco fiables que provoca la degradación de los recuerdos transmitidos y aumentan el océano de ruido y caos dentro del cerebro.
Esta situación es similar a la que ocurre cuando tenemos una comunicación telefónica defectuosa: el ruido impide escuchar el mensaje de otra persona aunque lo repita varias veces. El cerebro se encasquilla a veces en estas situaciones.
Utilizando técnicas avanzadas de simulación para examinar cómo las neuronas se comunican entre sí mientras se ahogan en un entorno caótico, los investigadores descubrieron que, trabajando en equipo, las neuronas corticales pueden responder incluso a estímulos débiles en un contexto de ruido y caos, lo que permite que el cerebro encuentre el orden.
El interior del cerebro activo es un aparente caos. Las neuronas se comunican entre sí emitiendo pulsos rápidos de señales eléctricas llamadas picos. Pero a veces este proceso falla y es imposible saber cuándo se va a producir el error en la frecuencia de picos. Cuando esto ocurre, la información deviene ruido.
Además, cuando los dos tipos básicos de neuronas corticales (excitadores e inhibidores) están interconectadas en una red, aumentan las pequeñas incertidumbres en sus patrones de actividad. Esto provoca patrones impredecibles, un comportamiento neuronal llamado caos.
Este contexto de ruido y caos sugiere que las neuronas corticales individuales no pueden encontrar el orden y enviar picos consistentes, por lo que hasta ahora ha sido un misterio saber cómo el cerebro establece la certeza de la información que transmiten las neuronas.
Las manipulaciones experimentales requeridas para desentrañar las fuentes de ruido en el cerebro y evaluar su impacto en la actividad neuronal son imposibles de realizar en un animal vivo, e incluso en tejidos cerebrales separados in vitro, señalan los investigadores.
"En este momento, simplemente no es posible controlar todos los miles de estímulos que provienen de todo el cerebro en una neurona in vivo, ni activar y desactivar diferentes fuentes de ruido", dice el investigador principal, Max Nolte, en un comunicado.
Modelo informático
La aproximación más cercana del tejido cortical en esos momentos de ruido y caos sólo se ha conseguido hasta ahora mediante un modelo informático que ha reconstruido digitalmente la actividad neuronal a través del microcircuito neocortical de la rata (Cell, 2015).
Este modelo informático ha proporcionado la plataforma ideal para que los investigadores estudien en qué medida el cerebro puede escuchar las voces de las neuronas individuales, ya que contiene modelos relacionados con los datos de transmisión de señales irregulares entre neuronas.
Usando este modelo, los investigadores han descubierto que la actividad generada espontáneamente por neuronas interconectadas es muy ruidosa y caótica, con períodos de picos muy diferentes en cada repetición.
Esta inestabilidad aumenta la frecuencia de señales de neurotransmisores poco fiables que provoca la degradación de los recuerdos transmitidos y aumentan el océano de ruido y caos dentro del cerebro.
Esta situación es similar a la que ocurre cuando tenemos una comunicación telefónica defectuosa: el ruido impide escuchar el mensaje de otra persona aunque lo repita varias veces. El cerebro se encasquilla a veces en estas situaciones.
Cambio inesperado
Sin embargo, llega un momento en que este proceso inservible para la actividad neuronal se altera y permite restablecer el fluido sináptico de forma práctica y completa. De pronto, la comunicación telefónica se vuelve audible.
El salto del caos al orden se produce en el cerebro por la aparición de estímulos externos, aunque sean débiles, procedentes de alguna región cerebral. Las neuronas aprovechan la ocasión para trabajar en equipo y recuperar la información perdida en el caos y el ruido.
“Nuestro modelo muestra que el ruido y el caos en las redes neuronales corticales son compatibles con una actividad de pico consistente, lo que permite que el cerebro encuentre el orden. Este hallazgo sugiere que la actividad altamente fluctuante de las neuronas corticales en animales vivos refleja el orden, no el ruido y el caos ", añade el profesor Henry Markram.
Sin embargo, llega un momento en que este proceso inservible para la actividad neuronal se altera y permite restablecer el fluido sináptico de forma práctica y completa. De pronto, la comunicación telefónica se vuelve audible.
El salto del caos al orden se produce en el cerebro por la aparición de estímulos externos, aunque sean débiles, procedentes de alguna región cerebral. Las neuronas aprovechan la ocasión para trabajar en equipo y recuperar la información perdida en el caos y el ruido.
“Nuestro modelo muestra que el ruido y el caos en las redes neuronales corticales son compatibles con una actividad de pico consistente, lo que permite que el cerebro encuentre el orden. Este hallazgo sugiere que la actividad altamente fluctuante de las neuronas corticales en animales vivos refleja el orden, no el ruido y el caos ", añade el profesor Henry Markram.
Referencia
Cortical reliability amid noise and chaos. Max Nolte et al. Nature Communicationsvolume 10, Article number: 3792 (2019). DOI :https://doi.org/10.1038/s41467-019-11633-8
Cortical reliability amid noise and chaos. Max Nolte et al. Nature Communicationsvolume 10, Article number: 3792 (2019). DOI :https://doi.org/10.1038/s41467-019-11633-8