Neuronas de la corteza cerebral del ratón reconstruidas a partir de imágenes de microscopía electrónica (gris). Cada célula nerviosa forma contactos con miles de otras células. Los científicos analizan las características de estas redes con la ayuda de simulaciones por computadora. Crédito:MPI f. Brain Research / Berning, Boergens, Helmstaedter
Las neuronas que permanecen activas incluso después de que el estímulo desencadenante ha sido silenciado forman la base de la memoria a corto plazo. El cerebro utiliza neuronas rítmicamente activas para combinar grupos más grandes de neuronas en unidades funcionales. Hasta ahora, los neurocientíficos tienen, en la mayor parte, estudió estas y otras propiedades con la ayuda de modelos de red, cada uno de los cuales solo puede recrear una única propiedad. Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro en Frankfurt ahora han demostrado cómo se puede utilizar el nuevo modelo para investigar múltiples propiedades en paralelo. Según sus cálculos, todas las propiedades comparten una base común:canales iónicos en la membrana celular que controlan la fuerza con la que se estimulan eléctricamente las neuronas. La aparición de estas propiedades no requiere plasticidad sináptica, un hallazgo que ayuda a explicar, por ejemplo, por qué algunas drogas psicoactivas pueden tener efectos secundarios de gran alcance.
"Lo que no puedo crear, No lo entiendo ". Fiel a esta observación del físico estadounidense Richard Feynman, Los neurocientíficos se esfuerzan por modelar virtualmente el cerebro humano dentro de una computadora. Se centran específicamente en la corteza cerebral, que es responsable de las capacidades cognitivas superiores.
Uno de los modelos informáticos de la corteza cerebral desarrollado en los últimos años se conoce como modelo de red supralineal estabilizada (SNN). Esta basado, entre otras cosas, en el supuesto de que la relación entre las señales de entrada y salida no es lineal. Las neuronas virtuales del modelo están diseñadas para que un ligero aumento en la entrada pueda resultar en una salida drásticamente amplificada. El SSN consta de elementos que se activan o inhiben mutuamente, al igual que el cerebro consiste en estimular e inhibir neuronas. Por otra parte, las conexiones entre los elementos, es decir, las sinapsis virtuales, son inmutables. Por lo tanto, a diferencia de las sinapsis en la corteza cerebral, las conexiones en el SSN no se pueden aumentar ni atenuar.
Estudios anteriores habían demostrado que el SSN incorpora propiedades importantes para procesar señales de entrada similares a los centros de la corteza cerebral que procesan la información visual. Incluyen, por ejemplo, normalización de estímulos visuales de diversas fortalezas, amplificación de la actividad para contrastes débiles y supresión de estímulos vecinos. ¿Podría esta red constituir también la base de otras propiedades de la corteza cerebral?
Los canales de iones están incrustados dentro de la membrana celular de las neuronas. La constricción dentro del canal, el llamado canal poro, determina su permeabilidad para diferentes iones (rojo, verde). Por esto, Los canales iónicos contribuyen sustancialmente a la actividad eléctrica de las neuronas y, según los últimos descubrimientos, incluso a las características de las redes neuronales. Crédito:MPI f. Medicina experimental
Según los análisis realizados por los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro, ese es de hecho el caso. Por ejemplo, las neuronas virtuales del SSN permanecen activas permanentemente, incluso después de que se haya silenciado la señal de activación original. "Este es un requisito previo para el almacenamiento a corto plazo o la información sensorial, es decir, la memoria de trabajo del cerebro, "dice Nataliya Kraynyukova del Instituto Max Planck de Investigación del Cerebro. Además, el modelo de red puede generar actividad rítmica. Estas señales de aumento y disminución son características típicas de la corteza cerebral y aparecen como patrones de actividad en forma de ondas en los electroencefalogramas.
Memoria a corto plazo sin plasticidad sináptica
Los hallazgos muestran que capacidades de amplio alcance, como la memoria a corto plazo y la normalización de las señales de contraste, podrían compartir una base neuronal común. a saber, canales iónicos en la membrana celular. No se requiere plasticidad sináptica. "Eso nos asombró, porque se ha pensado durante años que la plasticidad sináptica es un mecanismo clave para el almacenamiento de información en el cerebro. Evidentemente, sin embargo, esto no se aplica a la memoria a corto plazo, "Tatjana Tchumatchenko dice.
Los nuevos hallazgos también ayudan a explicar por qué algunas drogas psicoactivas tienen efectos secundarios indeseables además de su efecto principal deseado:algunas drogas alteran la actividad de ciertos canales iónicos en el cerebro. "Muchos medicamentos para la epilepsia y la migraña, por ejemplo carbamazepina y topiramato, Bloquear la actividad de los canales de sodio potencialmente activados. Ahora sabemos que esto puede tener un impacto en actividades importantes del cerebro y, por ejemplo, afectar la memoria a corto plazo, "Explica Tchumatchenko.
