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• Los puntos principales del estudio.
Las células nerviosas del cerebro, conocidas como neuronas, intercambiar información entre sí. Esto es especialmente cierto para las neuronas en la materia gris de la corteza, la parte más grande del cerebro, donde cada neurona se conecta con miles de otras neuronas para apoyar funciones cerebrales complejas. La actividad neuronal eléctrica se propaga rápida y extensamente en esta vasta red, produciendo patrones de actividad muy diversos que pueden durar largos períodos de tiempo e involucrar a millones de neuronas.
Esta actividad neuronal fluctuante subyace en el procesamiento de la información en el cerebro. Sin embargo, ha sido difícil detectar un orden significativo en las constantes fluctuaciones de actividad, un requisito básico para comprender cómo funciona el cerebro en condiciones normales.
Primeros descubrimientos en la comprensión de las avalanchas neuronales
Hace dos décadas, los investigadores del Programa de Investigación Intramural del Instituto Nacional de Salud Mental (NIMH, por sus siglas en inglés) hicieron un descubrimiento que marcó un hito en ese esfuerzo. Investigación innovadora bajo la guía Dietmar Plenz, Ph.D., jefe de la Sección de Dinámica Crítica del Cerebro del IRP, mostró que el cerebro produce patrones de actividad de diferentes tamaños de una manera altamente organizada que sigue una fórmula matemática llamada ley de potencia. Esto significa que el cerebro produce patrones de actividad de diferentes tamaños a un ritmo constante.
Este descubrimiento condujo a la idea de las «avalanchas neuronales», en las que grupos de neuronas disparando juntas desencadenan una reacción en cadena, provocando que otros grupos de neuronas disparen en cascada. El nuevo descubrimiento también vinculó la investigación del cerebro con el campo. criticidad autoorganizadaes una teoría unificadora que tiene como objetivo explicar cómo los sistemas complejos optimizan el procesamiento de la información para operar al máximo rendimiento.
Investigación moderna sobre las propiedades de las avalanchas neuronales.
En un nuevo estudio apoyado por el NIMH y Investigación del cerebro utilizando neurotecnologías innovadoras® Iniciativao The BRAIN Initiative®, el Dr. Plenz y sus colegas revelaron cómo se desarrollan las avalanchas neuronales con el tiempo. Al mostrar que la actividad sincronizada de las avalanchas neuronales sigue un orden preciso, los investigadores esencialmente han encontrado un orden en el lenguaje del cerebro, un orden que fue predicho por la teoría pero que nadie ha demostrado experimentalmente en resolución celular.
Utilizando lo último en tecnología láser e imágenes, el equipo de investigación estudió cómo se relaciona el disparo de neuronas individuales en una avalancha con el disparo de otras neuronas en la misma avalancha. Primero, insertaron un prisma en el cerebro de un ratón, lo que proporcionó una vista de las neuronas en el hemisferio opuesto (o lado) del cerebro. Luego hicieron que el ratón corriera en una rueda durante cortos períodos de tiempo durante varios días y observaron la actividad de las neuronas en dos regiones del cerebro, la corteza visual primaria y la corteza prefrontal.
Los investigadores midieron la actividad de las neuronas utilizando imagen de 2 fotones, una poderosa tecnología para registrar de cientos a miles de neuronas en una pequeña región del cerebro a nivel de una sola célula. Sin embargo, necesitaban mejorar la calidad de la imagen para rastrear de manera confiable la propagación de la actividad neuronal. Hicieron esto utilizando un procedimiento de aprendizaje automático llamado interpolación profunda, que reduce el ruido en las imágenes para aumentar su resolución. Beowulf, la plataforma informática de alto rendimiento de los NIH. Usando esta combinación de herramientas avanzadas, los investigadores han reconstruido con éxito el comportamiento de muchas neuronas para obtener una visión detallada de cómo funcionan juntas durante las avalanchas neuronales.
El estudio actual amplía el conocimiento sobre las avalanchas neuronales
Los investigadores han confirmado a nivel celular que se producen avalanchas neuronales en la corteza visual. También descubrieron por primera vez que se producen avalanchas en la corteza prefrontal, que regula los pensamientos, las acciones y las emociones a través de extensas conexiones con otras áreas del cerebro.
Los resultados mostraron que, en condiciones normales, la actividad cerebral fluctuaba de una manera extremadamente organizada que podía describirse con números precisos. Cuando grupos de neuronas en la materia gris de la corteza se activan juntas, forman cascadas de actividad sincronizada. Estas cascadas se desarrollaron en un patrón que tomó la forma de una parábola invertida simétrica (una ‘U’ invertida) – con una actividad que aumenta, luego se nivela y desciende – se denominan ‘avalanchas parabólicas’.
Los investigadores continuaron demostrando que las avalanchas parabólicas crecen rápidamente con una tasa cuadrática cada vez mayor. Esta función asegura el máximo almacenamiento de información.
Estos resultados se mantuvieron en diferentes condiciones experimentales y para cascadas de diferente duración. Los investigadores describieron esta organización secuencial como invariable en escala: sin importar a qué escala estudie el sistema, las avalanchas de neuronas muestran el mismo curso de tiempo universal en diferentes regiones del cerebro.
Próximos pasos para los investigadores que estudian las avalanchas neuronales
Esta investigación es un claro ejemplo de cómo los enfoques matemáticos pueden mejorar la comprensión de cómo funciona el cerebro. Los resultados obtenidos establecen la parábola invertida invariante de escala como una nueva forma de sincronización neuronal que determina la organización de la actividad cerebral en la corteza.
El descubrimiento de los investigadores solo fue posible gracias a los enormes avances técnicos que les permitieron monitorear la actividad de las neuronas individuales en cascadas. Los futuros investigadores ahora tienen las herramientas para visualizar de manera efectiva las avalanchas neuronales.
Esta investigación también estimula los esfuerzos para identificar estados cerebrales óptimos. Estableció, tanto experimental como matemáticamente, la escala que determina la sincronización de las neuronas en el cerebro y las condiciones en las que la tecnología funciona mejor para rastrear la actividad neuronal. Los resultados podrían permitir identificar cambios específicos en la actividad cerebral que indiquen un cambio en la función cerebral, lo que a su vez podría abrir la puerta a muchas aplicaciones potenciales, como la identificación temprana de trastornos mentales.
certificado
Capek, E., Ribeiro, T.L., Kells, P., Srinivasan, K., Miller, S.R., Geist, E., Victor, M., Vakili, A., Pajevic, S., K ‘yalvo, D. R., & Plenz, D. (2023). Escalamiento de avalanchas parabólicas en la sincronización de nodos de células corticales. comunicaciones de la naturaleza, 14Artículo 2555. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37976-x
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