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Exploradores de neuronas: buscando el código en el cerebro

En el Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), se contempla el cerebro como una máquina que recibe información mediante los sentidos y los computa

Esa secuencia temporal de ceros y unos es el llamado código neuronal, del que conocemos algunas cosas aunque en su mayor parte sigue siendo un enigma

La mayor cantidad del tiempo de la investigación se destina a analizar los datos registrados en el ordenador para intentar encontrar patrones entre las redes neuronales

Jaime de la Rocha, doctor en Física a la cabeza del grupo de dinámica de circuitos corticales (Hospital Clínic de Barcelona)

Jaime de la Rocha, doctor en Física a la cabeza del grupo de dinámica de circuitos corticales (Hospital Clínic de Barcelona)

La población mundial ha superado los 7.000 millones. Si comparásemos personas a neuronas, necesitaríamos más de catorce planetas Tierra para poblar un solo cerebro. No solo médicos, biólogos y químicos estudian nuestro órgano más complejo. La neurociencia recurre también a las matemáticas, la física o las ciencias de la computación para explorar este fascinante universo.

Se conoce en qué zona del cerebro se codifica la información de cada área sensorial gracias a mapas elaborados a partir del estudio de lesiones o tumores que revelan dónde se ubican habilidades determinadas. Por ejemplo, en la corteza auditiva primaria se procesa la información auditiva y en el lóbulo occipital -en la parte posterior de la cabeza- se procesa la información visual.

Se sabe también que las neuronas se especializan. Por ejemplo, en el campo visual, hay neuronas que identifican líneas horizontales y otras, líneas verticales; otras, ángulos; otras, caras; otras, conceptos como hoja o árbol... También se habla de las más complejas, como la 'neurona de la abuela' ('grandmother cell'), que reuniría no solo la imagen de nuestra abuela sino su voz, el recuerdo de algo que nos regaló, su perfume y todo lo que asociamos con ella.

La investigación de dos tipos de neuronas especializadas en cartografiar nuestra posición en un cierto espacio conocido ha merecido este año el Premio Nobel de Medicina. La mitad del premio fue para John O'Keefe del University College London, por descubrir las neuronas de lugar ('place cells'). Se especializan en ciertas partes del espacio –el sofá, el rincón del teléfono, etc– y lo cartografían como si se tratara de pequeños azulejos, aunque no únicos, porque cada neurona participa en mapas de distintos lugares. Su equipo las detectó colocando un ratón en un espacio circular. Cada vez que pasaba por un lugar concreto, se podía observar cómo se activaban determinadas neuronas. Luego lo ponían en un laberinto y en cada fragmento del espacio se activaban ciertas neuronas, siempre las mismas. 

La otra mitad del premio se fue a una ciudad de 180.000 habitantes, a 500 kilómetros al norte de Oslo. La compartió la pareja formada por May-Britt y Edvard I. Moser, que dirigen el Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas en Trondheim, por descubrir otras neuronas aun más complejas: las que organizan el espacio en una especie de cuadrícula de tres líneas a 120 grados cada una de las otras ('grid cells'). 

Registrando la actividad cerebral de un ratón, observaron que al pasar por una intersección concreta se le disparaba una neurona determinada, codificando también el espacio pero de forma diferente. Neuronas que se activan en cuadrículas con distancias de 5cm pasan información a otras con distancias de 50 centímetros. No fueron descubiertas antes en parte porque no se suelen utilizar espacios tan grandes en los experimentos.

En el Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), junto al Hospital Clínic de Barcelona, existe también un Área de Neurociencia de Sistemas. Se contempla el cerebro como una máquina que recibe información mediante los sentidos y la computa, coordina y procesa. Jaime de la Rocha, doctor en Física a la cabeza del Grupo de dinámica de circuitos corticales, nos ha abierto una ventana a sus investigaciones. "Cada neurona se comunica recibiendo impulsos de las demás y a su vez emitiendo otros," explica. "Las hay excitatorias e inhibitorias: unas la acercan al umbral en que ella misma envía un impulso y otras la alejan de ese umbral. Podemos comparar la neurona a una variable matemática. Cuando llega a ese umbral emite un impulso, una especie de chispazo eléctrico. Luego se reinicia y sigue escuchando a las demás."

Para elaborar modelos de actividad neuronal, establecen un parámetro de tiempo, registran el número uno cuando la neurona alcanza el umbral y cero cuando no. "Así podemos analizar su actividad como un lenguaje binario," añade De la Rocha, "uno cuando se dispara y cero cuando no: cero, cero, cero, cero, cero, uno, cero, cero, uno, cero...."

Buscando el código

Las neuronas nunca están en silencio, se activan continuamente de forma muy aleatoria. Cada una emite alrededor de un impulso por segundo. "No hay un patrón de actividad rítmico ni una estructura temporal clara," explica con paciencia el neurocientífico, "pero sí sigue ciertas reglas. Hablamos de un proceso estocástico [sucesión de variables aleatorias]". 

Por ejemplo, cuando escuchamos un estímulo sonoro, música por ejemplo, las neuronas del sistema auditivo empiezan a activarse más, a emitir más impulsos. Hay neuronas especializadas en tonos agudos, tonos graves, etc. Los codifican y transmiten la información del sonido de unas a otras. Esa secuencia temporal de ceros y unos la registra el equipo del IDIBAPS colocando electrodos en el área auditiva de un ratón y presentándole sonidos para tratar de descubrir esa relación abstracta entre los impulsos neuronales y los distintos sonidos. Es el llamado código neuronal, del que conocemos algunas cosas aunque en su mayor parte sigue siendo un enigma.

Las neuronas no descansan

Tal como explica De la Rocha, mientras el ratón tiene los electrodos conectados al cerebro, el ordenador registra los impulsos que emiten simultáneamente entre diez y cien neuronas próximas entre sí, mediante una red de electrodos similar a un circuito impreso eléctrico. "Aun así, es una fracción minúscula de neuronas y no es fácil descifrar su código," afirma.

La emisión de impulsos de cada neurona no se detiene nunca, ni siquiera cuando se anestesia al animal o durante las diversas fases del sueño. Pero a diferentes estímulos se activan neuronas diversas, se producen diferentes frecuencias de emisión de impulsos y se establecen conexiones en red distintas. Los experimentos consisten por ejemplo, en emitir determinados sonidos más agudos o más graves seguidos de consecuencias positivas o negativas, y registrar cómo se refleja esto.

Ahora bien, la experimentación con animales ocupa la menor parte de la investigación del Grupo de dinámica de circuitos corticales. Se destina mucho más tiempo a analizar los datos registrados en el ordenador para intentar encontrar patrones de emisión o relación entre las redes neuronales. Ahí es dónde la matemática, la física, la informática tiene tanto que aportar.

El análisis de cómo en las redes neuronales se originan diferentes patrones de emisión de impulsos se realiza mediante programación con el software Brian Simulator. Este programa sirve para facilitar el desarrollo de simulaciones de redes de neuronas, un proceso habitual en el área de la neurociencia computacional. Escrito en Python, emplea diversas librerías científicas y de gráficos. Brian usa diversos métodos de integración y cualquiera puede instalárselo en su ordenador para simular el comportamiento de una red neuronal según los parámetros que se introduzcan.

En el IDIBAPS estudian en concreto cómo se presenta la expectativa de que algo va a suceder, cómo las neuronas conservan la memoria de que algo va a suceder según una experiencia anterior. Quieren saber cómo se almacena en el código neuronal del ratón la experiencia de sentir una pequeña descarga después de oír un tono determinado.

El ratón actúa igual que los humanos. En nuestra constante percepción de la realidad, ya sabemos que van a suceder muchas cosas, o estamos esperando que sucedan. Integramos nuestras predicciones con los estímulos sensoriales que recibimos en un proceso inconsciente que forma parte de cómo interpretamos la realidad.

"Nuestra investigación es muy concreta," sostiene De la Rocha "¿Por qué el ratón se asusta al volver a oír ese tono, aunque después no se produzca la descarga? ¿Cómo se registra esta asociación?"

"El cerebro es un universo enorme. Unos lo exploramos entrando por el norte, estudiando mecanismos de comunicación neuronal, y otros entrando por el sur desde la medicina, la biología, la química." Y concluye: "Pero todos soñamos con que los resultados de nuestra investigación algún día sirvan para curar enfermedades como la esquizofrenia, la epilepsia o el alzeihmer."

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