La criticidad cerebral potencia la cognición

Una investigación desarrollada en la Universidad de Washington en San Luis ha confirmado una vieja sospecha científica: que el cerebro desenvuelve su actividad en una delgada línea que se sitúa entre la quietud y el caos.

Y procede así porque de esa manera maximiza el procesamiento de información: se comporta como una máquina biológica, constituida por miles de millones de neuronas independientes que se unen frenéticamente para adquirir una capacidad computacional insólita en la naturaleza.

Esa delgada línea representa un estado cerebral en el que la excitación de las neuronas alcanza niveles máximos, sin por ello caer en el desorden y pasar a una especie de transición de fase que le llevaría a un estado inferior de actividad neuronal y de capacidad computacional.

El cerebro se mantiene por sí mismo en esa frontera peligrosa sin perder por ello el control de la situación. Una proeza de la naturaleza soporta los procesos cognitivos. Cuando el cerebro pierde este equilibrio, cae en una deriva patológica: la tranquilidad neuronal es síntoma de enfermedad, el caos y la agitación son fuente de inteligencia.

"Cuando las neuronas se combinan, buscan activamente un régimen crítico", explica Keith Hengen, autor principal, en un comunicado. "Nuestro estudio demuestra que la criticidad es un sello distintivo de las redes que funcionan normalmente".

Criticidad y cerebro

La criticidad (o permanencia en un estado crítico) es el único régimen computacional conocido que, en informática, optimiza el procesamiento de la información, como la memoria y la capacidad de codificar y transmitir patrones complejos.

En el caso del cerebro se llama criticidad autoorganizada, porque las avalanchas de actividad neuronal aparentemente caóticas, son las que le permiten vivir y permanecer en ese estado crítico y, en consecuencia, realizar los cálculos rápidos que necesitan los procesos cognitivos.

La nueva investigación ha comprobado la criticidad cerebral usando datos de grabaciones neuronales de ratones que vivían en régimen de comportamiento libre.

Las grabaciones abarcan meses de actividad de cientos de neuronas y permitieron a los investigadores modelar la actividad de redes neuronales enteras.

De esta forma confirmaron por primera vez que la dinámica de la red neuronal en la corteza visual se ajusta firmemente a la criticidad, incluso a través de los ciclos de luz y oscuridad.

Es decir, que si las neuronas implicadas en los procesos de la visión no se excitan hasta el paroxismo, el cerebro no puede conocer ni  interpretar la complejidad del mundo exterior.

Los científicos lo comprobaron porque, durante el experimento, bloquearon intencionadamente la visión en uno de los ojos de los ratones. Y observaron que en ese momento la criticidad fue severamente interrumpida por las neuronas implicadas.

Las neuronas encargadas de procesar la visión de ese ojo bloqueado abandonaron su frenesí, pero no por ello dejaron de seguir emitiendo sus impulsos clásicos, aunque sin obtener el mismo resultado que en el momento de excitación o criticidad.  

"Parece que tan pronto como hay un desajuste entre lo que el animal espera y lo que está pasando por ese ojo, la dinámica computacional se desmorona", explica Hengen.

Neuronas inhibidoras

"Esto es consistente con la física teórica, según la cual el régimen crítico es independiente de la tasa de disparo", añade.  "No se trata solo del número total de picos en la red, porque la tasa de disparo no ha cambiado en absoluto durante de la privación de la visión, y sin embargo, el régimen se desmorona".

Es decir, la criticidad no depende de cuántos impulsos generan las neuronas, sino del frenesí sináptico en el que entran para formar los procesos cognitivos: podemos taparnos un ojo y se interrumpe el frenesí, pero no la generación de pulsos nerviosos por las neuronas implicadas.

Los investigadores creen que la criticidad en el cerebro probablemente esté conectada a las neuronas inhibidoras que imponen y organizan la dinámica computacional.

Esas neuronas son las que permiten al cerebro conservar la energía porque seleccionan los estímulos visuales, descartando los irrelevantes y procesando únicamente la información clave para interpretar un entorno. Esta capacidad se potencia en la criticidad.

Implicaciones importantes

El descubrimiento podría tener implicaciones importantes para el aprendizaje motor y la enfermedad neurodegenerativa, señalan los investigadores.

La autoorganización del cerebro en torno a la criticidad es un proceso activo, señala Hengen, y la regulación homeostática alterada (desequilibrios internos en las redes neuronales) está cada vez más implicada en patologías humanas graves como el Alzheimer, la epilepsia, el síndrome de Rett (trastorno en el desarrollo neurológico infantil), el autismo y la esquizofrenia.

"Una interpretación de este trabajo es que la criticidad es la que permite mantener el equilibrio interno (homeostasis) en las redes neuronales", concluye Hengen. Una nueva pista para tratar enfermedades neurodegenerativas.

Tal como informamos en otro artículo, recientemente se descubrió cómo se las arregla el cerebro para encontrar el orden dentro del caos que reina en las sinapsis.

Ahora sabemos que ese caos es el recurso que usa el cerebro para procesar la información sensorial de forma excelente. También que el frenesí neuronal le permite mantenerse en equilibrio entre el caos y la quietud,  sin bascular hacia una transición de fase que le supondría entrar en una deriva patológica.

Referencia

Cortical Circuit Dynamics Are Homeostatically Tuned to Criticality In Vivo. Zhengyu Ma et al. Neuron, October 07, 2019. DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.08.031