¿Cómo cooperan las regiones del cerebro?

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Cada vez vamos conociendo más acerca del órgano más increíble que ha dado la naturaleza: el cerebro humano. Sin embargo, quedan muchas preguntas por resolver, tanto a nivel de funcionamiento celular como de sistemas. Por ejemplo, se sabe que existen áreas del cerebro especializadas en determinadas tareas y funciones, sin embargo, se desconoce cómo muchas de ellas cooperan y trabajan juntas.

Bueno, se desconocía.

Un reciente trabajo llevado a cabo por investigadores de la Universidad de Stanford han resuelto el enigma del funcionamiento interno del cerebro, formado por miles de millones de neuronas organizadas y distribuidas de manera heterogénea.

Las regiones del cerebro trabajan de forma independiente la mayor parte del tiempo, confiando en que las neuronas propias de cada región hagan bien su trabajo. En otras ocasiones, en cambio, dos o varias áreas se ven obligadas a cooperar para lograr superar la tarea que se presenta. La duda está en qué mecanismo permite que estas determinadas regiones, que deben cooperar en un determinado momento, puedan hacerlo sin interferir la una con la otra cuando trabajan por separado.

El trabajo, publicado en Nature Neuroscience y liderado por el catedrático de ingeniería eléctrica Krishna Shenoy, revela un proceso hasta ahora desconocido que ayuda a dos regiones del cerebro a cooperar cuando una tarea conjunta lo requiere.

El experimento se diseñó originalmente para estudiar cómo la anticipación facilita la ejecución de movimientos más rápidos y más certeros, pero tras recopilar los datos, se utilizó una aproximación novedosa para el análisis de algo que parecía más que simples registros de movimiento.

El laboratorio de Shenoy fue pionero en describir cómo grandes grupos de neuronas funcionan al unísono. Aplicando nuevas técnicas al estudio del movimiento, descubrieron una manera en que las distintas áreas mantienen sus actividades localizadas o envían una señal para el reclutamiento de otras zonas necesarias. Las neuronas están constantemente disparando señales eléctricas; siempre están conectadas. Por ese motivo es importante mantener un control sobre las señales que son comunicadas de una región a otra.

El experimento fue llevado a cabo en monos que habían sido entrenados para realizar movimientos de precisión con el brazo. Además, se les enseñó a hacer una breve pausa antes de concluir la acción. Esto dejaba al cerebro un periodo preparatorio preconclusivo. Cabe mencionar que este estudio está enmarcado en un proyecto mayor que pretende desarrollar prótesis controladas mentalmente, por lo que los investigadores deben ser capaces de diferenciar las señales de preparación para el movimiento de aquellas que envían las órdenes de ejecución.

Para lograr este objetivo se registró la actividad eléctrica de tres lugares diferentes: los músculos del brazo y las dos regiones corticales responsables del control motriz del brazo. La primera medida permitió determinar qué tipo de señales recibe el brazo durante el periodo de preparación y el periodo de acción. Las lecturas cerebrales, en cambio, resultan más complejas.

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Principales regiones corticales responsables del control motriz

Principales regiones corticales responsables del control motriz (Fuente: http://www.cns.nyu.edu/~david/courses/perception/lecturenotes/brain/brain.html)

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Cada una de las dos regiones se compone de más de 20 millones de neuronas, por lo que no es realista comprobar la actividad neuronal de una en una, por mucho que se quiera comprender el comportamiento de estas neuronas. De este modo, lo que se hizo fue registrar la actividad de muestras cuidadosamente seleccionadas, de entre de 100 a 200 células individuales de cada una de las dos regiones.

El análisis de las lecturas se realizó en dos niveles. Primero se consideraba la actividad individual de las neuronas (velocidad de disparo), mientras que en otro nivel se buscaba también patrones de cambio en la actividad grupal. El principal hallazgo del estudio surgió al comprender cómo las neuronas individuales cambian su actividad para actuar de manera conjunta y guiar al músculo. Se vio que, cuando el mono mantenía el brazo quieto durante la pausa en mitad de la acción, se producía un gran cambio en la actividad neuronal de ambas regiones. Sin embargo, esta actividad no fue la que propiciaba el movimiento.

Lo que se descubrió fue que durante la fase preparatoria el cerebro equilibra cuidadosamente los cambios de actividad individual de todas las neuronas de cada región; mientras que unas disparan más rápido, otras ralentizan su tasa de disparo, de forma que toda la población transmite una señal constante a los músculos. Por otra parte, la fase de acción presenta un cambio consistente en la actividad poblacional

Analizando los datos, los científicos pudieron correlacionar estos cambios a nivel grupal con la flexión de los músculos, diferenciando mediante este cambio en la actividad conjunta las fases de preparación y de acción del movimiento.

Se puso gran énfasis en el componente matemático del análisis de datos (si te interesa, puedes ver aquí una entrada sobre la importancia de la estadística en la investigación). Era indispensable asegurar que cada una de los grupos de neuronas exhibían los cambios específicos para el control muscular únicamente cuando los músculos eran flexionados. En el transcurso del estudio, Kaufman y colaboradores se dieron cuenta de que esta identificación de actividad diferenciada a nivel individual y poblacional podía tener ramificaciones más amplias.

En efecto, una vez identificadas señales a nivel de población entre las regiones corticales motoras y los músculos, se preguntaron si estas dos regiones, cada una responsable parcialmente del control de la acción, se acoplan y desacoplan entre sí de forma análoga. Al parecer, los análisis en esa dirección indican que así es. 

Los resultados de este estudio parecen indicar que de forma similar a lo que ocurre en las regiones de control motor, los diferentes estados de preparación y ejecución presentan diferentes niveles de actividad neuronal, con diferentes patrones de activación y comunicación entre regiones. Lo que deberá investigarse más a fondo es si este perfil de actividad cooperativa entre regiones es igualmente identificable en otro tipo de tareas (verbal, atencional, o de aprendizaje).

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2 pensamientos en “¿Cómo cooperan las regiones del cerebro?

  1. buen aporte, como electrónico eso me interesa, si estamos hablando de hacer que esa lógica como funciona (mejor dicho como cooperan las regiones del cerebro) se puede introducir a un micro controlador PIC o similar pero con arquitectura abierta. gracias.

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