Foto: Irvin Macfarland.
Un acto aparentemente tan sencillo como amarrarnos los cordones de los zapatos que repetimos a lo largo del tiempo representa una intensa actividad neuronal que una nueva investigación acaba de desentrañar.
Siempre se ha supuesto que esta habilidad implicaba a una serie de neuronas que mantenían vivo el recuerdo de cómo atarnos los zapatos cada vez que nos hace falta.
La nueva investigación ha ido más lejos y descubierto que esa habilidad no depende de una actividad neuronal especializada, sino de la interacción de un conjunto de neuronas que conversan entre ellas cada vez que hace falta para que nos amarremos los cordones de los zapatos sin mayores complicaciones.
"No es la actividad de las neuronas individuales lo que nos permite comprender cómo funciona el cerebro, sino la actividad colectiva de las neuronas interconectadas para formar una red", explica la autora principal de esta investigación, Sara Solla, de la Universidad del Noroeste en Chicago (USA).
El descubrimiento tiene una gran importancia no solo porque permite conocer mejor los mecanismos cerebrales implicados en nuestras habilidades más cotidianas, sino también porque abre la posibilidad de nuevas prótesis para pacientes aquejados de parálisis derivadas de una lesión medular o de un ictus.
Señal neuronal estable
Cuando se ha intentado descubrir una señal neuronal estable relacionada con la habilidad de amarrarnos los zapatos o montar en bicicleta, nunca ha podido ser localizada porque los electrodos que se han aplicado al cerebro solo han visto neuronas individuales en constante cambio.
Es decir, es posible que hayamos aprendido a montar en bicicleta durante nuestra infancia y que luego nos hemos dedicado a otro deporte. Sin embargo, cuando después de años retomamos una bicicleta, volvemos a montar como cuando éramos niños.
Para conseguir esta proeza, el cerebro no ha creado un patrón neuronal de cómo montar en bicicleta sin caernos y lo ha archivado en algún rincón de la memoria. Es proceso es algo más complejo.
Lo que ocurre realmente cuando, después de un tiempo, queremos de nuevo dar una vuelta en bicicleta, es que las neuronas del cerebro hablan entre ellas para recordar cómo eran las conexiones necesarias para esa actividad y describen los movimientos necesarios para que todo salga bien, en función de un aprendizaje antiguo.
La nueva investigación, después de espiar el comportamiento cerebral, ha podido registrar, decodificar y reconstruir los patrones de actividad oculto tras esas conversaciones entre neuronas.
Son patrones de actividad preservados para habilidades de movimiento en neuronas que están en constante cambio, tanto en las áreas motoras como sensoriales de la corteza cerebral.
Espionaje neuronal
El resultado obtenido es semejante a lo que supondría espiar una conversación entre un grupo de personas que hablan a la vez en un entorno ruidoso sobre diferentes temas.
En una situación así, que refleja la interacción neuronal en el momento de desencadenar una habilidad motora, desde fuera es imposible enterarse de lo que hablan y deciden.
Para aprovechar esta información crucial para entender el comportamiento cerebral, lo que hicieron los científicos fue “grabar” la conversación y luego extraer la información más relevante de lo que hablaron las neuronas.
Más concretamente, tomaron muestras de varios cientos de neuronas, entre muchos millones, para descubrir las “conversaciones” dominantes entre ellas.
Combinaron a continuación los registros simultáneos de muchas neuronas para establecer los patrones de actividad relacionados con una habilidad concreta, que están distribuidos entre toda la población de neuronas.
Lo más relevante de este estudio es que es el primero en extraer y decodificar un patrón estable de lo que hablan las neuronas de diferentes partes del cerebro que trabajan juntas para crear un movimiento, como pedalear o amarrarnos los zapatos.
Siempre se ha supuesto que esta habilidad implicaba a una serie de neuronas que mantenían vivo el recuerdo de cómo atarnos los zapatos cada vez que nos hace falta.
La nueva investigación ha ido más lejos y descubierto que esa habilidad no depende de una actividad neuronal especializada, sino de la interacción de un conjunto de neuronas que conversan entre ellas cada vez que hace falta para que nos amarremos los cordones de los zapatos sin mayores complicaciones.
"No es la actividad de las neuronas individuales lo que nos permite comprender cómo funciona el cerebro, sino la actividad colectiva de las neuronas interconectadas para formar una red", explica la autora principal de esta investigación, Sara Solla, de la Universidad del Noroeste en Chicago (USA).
El descubrimiento tiene una gran importancia no solo porque permite conocer mejor los mecanismos cerebrales implicados en nuestras habilidades más cotidianas, sino también porque abre la posibilidad de nuevas prótesis para pacientes aquejados de parálisis derivadas de una lesión medular o de un ictus.
Señal neuronal estable
Cuando se ha intentado descubrir una señal neuronal estable relacionada con la habilidad de amarrarnos los zapatos o montar en bicicleta, nunca ha podido ser localizada porque los electrodos que se han aplicado al cerebro solo han visto neuronas individuales en constante cambio.
Es decir, es posible que hayamos aprendido a montar en bicicleta durante nuestra infancia y que luego nos hemos dedicado a otro deporte. Sin embargo, cuando después de años retomamos una bicicleta, volvemos a montar como cuando éramos niños.
Para conseguir esta proeza, el cerebro no ha creado un patrón neuronal de cómo montar en bicicleta sin caernos y lo ha archivado en algún rincón de la memoria. Es proceso es algo más complejo.
Lo que ocurre realmente cuando, después de un tiempo, queremos de nuevo dar una vuelta en bicicleta, es que las neuronas del cerebro hablan entre ellas para recordar cómo eran las conexiones necesarias para esa actividad y describen los movimientos necesarios para que todo salga bien, en función de un aprendizaje antiguo.
La nueva investigación, después de espiar el comportamiento cerebral, ha podido registrar, decodificar y reconstruir los patrones de actividad oculto tras esas conversaciones entre neuronas.
Son patrones de actividad preservados para habilidades de movimiento en neuronas que están en constante cambio, tanto en las áreas motoras como sensoriales de la corteza cerebral.
Espionaje neuronal
El resultado obtenido es semejante a lo que supondría espiar una conversación entre un grupo de personas que hablan a la vez en un entorno ruidoso sobre diferentes temas.
En una situación así, que refleja la interacción neuronal en el momento de desencadenar una habilidad motora, desde fuera es imposible enterarse de lo que hablan y deciden.
Para aprovechar esta información crucial para entender el comportamiento cerebral, lo que hicieron los científicos fue “grabar” la conversación y luego extraer la información más relevante de lo que hablaron las neuronas.
Más concretamente, tomaron muestras de varios cientos de neuronas, entre muchos millones, para descubrir las “conversaciones” dominantes entre ellas.
Combinaron a continuación los registros simultáneos de muchas neuronas para establecer los patrones de actividad relacionados con una habilidad concreta, que están distribuidos entre toda la población de neuronas.
Lo más relevante de este estudio es que es el primero en extraer y decodificar un patrón estable de lo que hablan las neuronas de diferentes partes del cerebro que trabajan juntas para crear un movimiento, como pedalear o amarrarnos los zapatos.
Las investigaciones se han centrado en áreas motoras (en azul oscuro) y sensoriales (en naranja) de la corteza cerebral. / CSIC
Prótesis neuronales
Con esta información, los científicos han abierto la posibilidad de fabricar prótesis neuronales capaces de superar lesiones neurológicas: pueden usar esos patrones de movimiento, que han quedado afectados, para conseguir que los pacientes recuperen habilidades perdidas con sus extremidades.
Se trata de toda una innovación porque las prótesis neuronales que se han desarrollado hasta ahora se apoyan en el comportamiento de neuronas individuales que cambian a lo largo de los días.
Esta inestabilidad de las señales neuronales individuales dificulta la interpretación de los comandos de movimiento y requiere que tanto el paciente como las prótesis tengan que estar aprendiendo cómo moverse de nuevo casi todos los días.
La nueva investigación plantea que no es necesario padecer esta limitación si las prótesis se centran en lo que hablan las neuronas entre ellas para desencadenar un movimiento, en vez de centrarse en lo que hacen las neuronas individuales implicadas.
De esta forma es posible el control permanente de una prótesis neuronal a lo largo del tiempo, señalan los investigadores.
Los resultados de esta investigación, en la que han participado también científicos españoles, se han obtenido estudiando el comportamiento en macacos, según informa el CSIC.
Con esta información, los científicos han abierto la posibilidad de fabricar prótesis neuronales capaces de superar lesiones neurológicas: pueden usar esos patrones de movimiento, que han quedado afectados, para conseguir que los pacientes recuperen habilidades perdidas con sus extremidades.
Se trata de toda una innovación porque las prótesis neuronales que se han desarrollado hasta ahora se apoyan en el comportamiento de neuronas individuales que cambian a lo largo de los días.
Esta inestabilidad de las señales neuronales individuales dificulta la interpretación de los comandos de movimiento y requiere que tanto el paciente como las prótesis tengan que estar aprendiendo cómo moverse de nuevo casi todos los días.
La nueva investigación plantea que no es necesario padecer esta limitación si las prótesis se centran en lo que hablan las neuronas entre ellas para desencadenar un movimiento, en vez de centrarse en lo que hacen las neuronas individuales implicadas.
De esta forma es posible el control permanente de una prótesis neuronal a lo largo del tiempo, señalan los investigadores.
Los resultados de esta investigación, en la que han participado también científicos españoles, se han obtenido estudiando el comportamiento en macacos, según informa el CSIC.
Referencia
Long-term stability of cortical population dynamics underlying consistent behavior. Juan A. Gallego et al. Nature Neuroscience, 23, 260–270 (2020). DOI:https://doi.org/10.1038/s41593-019-0555-4
Long-term stability of cortical population dynamics underlying consistent behavior. Juan A. Gallego et al. Nature Neuroscience, 23, 260–270 (2020). DOI:https://doi.org/10.1038/s41593-019-0555-4