La metáfora del «circuito» del cerebro es tan indiscutible como familiar: las neuronas forjan conexiones físicas directas para crear redes funcionales, por ejemplo, para almacenar recuerdos o producir ideas. Pero la metáfora también está incompleta. ¿Qué impulsa a estos círculos y redes a converger? Nueva evidencia indica que al menos parte de esta coordinación proviene de campos eléctricos.
Nuevo acceso abierto el estudio en corteza cerebral Él muestra que mientras los animales jugaban juegos de memoria de trabajo, la información sobre lo que estaban recordando fue coordinada a través de dos regiones principales del cerebro por el campo eléctrico que surgió de la actividad eléctrica de referencia de todas las neuronas participantes. El campo, a su vez, parece impulsar la actividad neuronal o las fluctuaciones de voltaje evidentes a través de las membranas celulares.
Si las neuronas son músicos en una orquesta, las regiones del cerebro son sus divisiones y la memoria es la música que producen, el campo eléctrico es el director, dicen los autores del estudio.
El mecanismo físico por el cual el campo eléctrico predominante afecta el potencial de membrana de las neuronas constituyentes se denomina acoplamiento adhesivo. Estos voltajes de membrana son fundamentales para la actividad cerebral. Cuando cruza un umbral, las neuronas «suben», enviando una señal eléctrica que envía señales a otras neuronas a través de conexiones llamadas sinapsis. El autor principal del estudio dice que cualquier cantidad de actividad eléctrica puede contribuir a un campo eléctrico predominante que también afecta el pico. conde k MolineroProfesor Picower en el Departamento de Cerebro y Ciencias Cognitivas del MIT.
«Muchas de las neuronas corticales pasan mucho tiempo dudando en el borde de la espiga», dice Miller. Los cambios en el campo eléctrico que los rodea pueden empujarlos hacia un lado o hacia el otro. Es difícil imaginar que la evolución no se aproveche de eso».
En particular, el nuevo estudio mostró que los campos eléctricos impulsaron la actividad eléctrica de las redes de neuronas para producir una representación compartida de la información almacenada en la memoria de trabajo, dice el autor principal. Dimitris Pinoutsis, profesor asociado en la City, Universidad de Londres e investigador afiliado en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria. Señaló que los hallazgos podrían mejorar la capacidad de los científicos e ingenieros para leer información del cerebro, lo que podría ayudar a diseñar prótesis controladas por el cerebro para personas con parálisis.
«Utilizando la teoría de sistemas complejos y cálculos matemáticos con lápiz y papel, predijimos que los campos eléctricos del cerebro dirigen a las neuronas para producir recuerdos», dice Benoutsis. Nuestros datos experimentales y análisis estadísticos respaldan esta predicción. Este es un ejemplo de cómo las matemáticas y la física arrojan luz sobre áreas del cerebro y cómo pueden generar conocimientos para construir dispositivos de interfaz cerebro-computadora (BCI). «
Los campos prevalecen
en 2022 QuédateMiller y Benoutsis desarrollaron un modelo biofísico de los campos eléctricos generados por la actividad eléctrica neuronal. Demostraron que los campos agregados que se originaron a partir de grupos de neuronas en una región del cerebro eran representaciones más confiables y estables de la información que los animales usaban para jugar juegos de memoria de trabajo que la actividad eléctrica de las neuronas individuales. Las neuronas son dispositivos algo volubles cuyas fluctuaciones producen una asimetría en la información llamada «deriva representacional». en artículo de opinión A principios de este año, los científicos también plantearon la hipótesis de que, además de las neuronas, los campos eléctricos afectaron la infraestructura molecular del cerebro y la sintonizaron para que el cerebro procesara la información de manera eficiente.
En el nuevo estudio, Benoutsis y Miller ampliaron la investigación para preguntar si el acoplamiento adhesivo propaga el campo eléctrico dominante a través de múltiples regiones del cerebro para formar una red de memoria o «engrama».
Entonces ampliaron sus análisis para observar dos regiones del cerebro: los campos oculares anteriores (FEF) y los campos oculares suplementarios (SEF). Estas dos regiones, que gobiernan el movimiento voluntario de los ojos, estaban relacionadas con el juego de memoria de trabajo que jugaban los animales porque en cada ronda los animales veían una imagen en una pantalla colocada en un cierto ángulo alrededor del centro (como los números en un reloj). Después de un breve retraso, debían mirar en la misma dirección en la que estaba el objeto.
Mientras los animales jugaban, los científicos registraron los potenciales de campo locales (LFP, una medida de la actividad eléctrica local) producidos por docenas de neuronas en cada área. Los científicos introdujeron estos datos LFP registrados en modelos matemáticos que predijeron la actividad neuronal individual y los campos eléctricos en general.
Los modelos permitieron a Pinotsis y Miller calcular si los cambios en los campos predijeron cambios en el potencial de membrana, o si los cambios en esta actividad predijeron cambios en los campos. Para hacer este análisis, utilizaron un método matemático llamado causalidad de Granger. Este análisis mostró inequívocamente que, en cada región, los dominios tenían un fuerte efecto causal sobre la actividad neuronal y no al revés. De acuerdo con el estudio del año pasado, el análisis también mostró que las medidas de fuerza de impacto se mantuvieron más estables para los campos que para la actividad neuronal, lo que sugiere que los campos eran más confiables.
Luego, los investigadores examinaron la relación causal entre las dos regiones del cerebro y descubrieron que los campos eléctricos, en lugar de la actividad neuronal, explicaban de manera confiable la transmisión de información entre el FEF y el SEF. Más específicamente, encontraron que el transporte normalmente fluye de FEF a SEF, lo cual es consistente con estudios previos sobre cómo interactúan las dos regiones. FEF tiende a liderar el camino en la iniciación del movimiento ocular.
Finalmente, Pinotsis y Miller usaron otra técnica matemática llamada análisis de similitud representacional para determinar si las dos regiones estaban, de hecho, procesando la misma memoria. Descubrieron que los campos eléctricos, no la actividad neuronal de las LFP, representaban la misma información en las dos regiones, uniéndolas en una red de memoria de engramas.
Más implicaciones clínicas
Dada la evidencia de que los campos eléctricos surgen de la actividad eléctrica neuronal pero luego impulsan la actividad neuronal para representar información, Miller especuló que quizás una función de la actividad eléctrica en las neuronas individuales es producir los campos que luego las gobiernan.
«Es una calle de doble sentido», dice Miller. «Las elevaciones y las celosías son muy importantes. Esa es la base. Pero luego los campos dan la vuelta y afectan la elevación».
Esto podría tener implicaciones importantes para los tratamientos de salud mental, dice, porque el pico de las neuronas afecta la fuerza de sus conexiones y, por lo tanto, la función de los circuitos que forman, un fenómeno llamado plasticidad sináptica.
Miller señala que las técnicas clínicas como la estimulación eléctrica transcraneal (TES) alteran los campos eléctricos del cerebro. Si los campos eléctricos no solo reflejan la actividad neuronal, sino que la modulan de manera efectiva, las técnicas TES se pueden usar para alterar los circuitos. Él dice que las manipulaciones de campo eléctrico diseñadas adecuadamente podrían algún día ayudar a los pacientes a reconectar los circuitos defectuosos.
El financiamiento para el estudio provino de Investigación e Innovación del Reino Unido, la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., la Fundación JPB y el Instituto Picower.
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