LA JOLLA – (22 de abril de 2022) Durante años, el cerebro ha sido visto como una computadora biológica que procesa información a través de circuitos tradicionales, con datos que saltan directamente de una célula a otra. Si bien este modelo sigue siendo preciso, un nuevo estudio dirigido por el profesor de Salk Thomas Albright y el científico del personal Sergei Gepshtein muestra que también hay una segunda forma muy diferente en que el cerebro analiza la información: a través de las interacciones de las ondas neuronales Actividad. Los resultados, publicados en avances científicos el 22 de abril de 2022, ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo el cerebro procesa la información.

LA JOLLA – (22 de abril de 2022) Durante años, el cerebro ha sido visto como una computadora biológica que procesa información a través de circuitos tradicionales, con datos que saltan directamente de una célula a otra. Si bien este modelo sigue siendo preciso, un nuevo estudio dirigido por el profesor de Salk Thomas Albright y el científico del personal Sergei Gepshtein muestra que también hay una segunda forma muy diferente en que el cerebro analiza la información: a través de las interacciones de las ondas neuronales Actividad. Los resultados, publicados en avances científicos el 22 de abril de 2022, ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo el cerebro procesa la información.

«Ahora tenemos una nueva comprensión de cómo funciona la maquinaria computacional del cerebro», dice Albright, presidente de Conrad T. Prebys en Investigación de la Visión y director del Laboratorio del Centro de la Visión de Salk. «El modelo ayuda a explicar cómo puede cambiar el estado subyacente del cerebro, lo que afecta la atención, el enfoque o la capacidad de procesar información de las personas».

Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que hay ondas de actividad eléctrica en el cerebro, tanto durante el sueño como mientras estamos despiertos. Pero las teorías subyacentes sobre cómo el cerebro procesa la información, en particular la información sensorial, como ver una luz o el sonido de una campana, giran en torno a la información que capturan células cerebrales especializadas y luego la transportan de una neurona a la siguiente como un relé neuronal. .

Sin embargo, este modelo tradicional del cerebro no pudo explicar cómo una sola célula sensorial podía responder de manera tan diferente a lo mismo en diferentes condiciones. Por ejemplo, una célula podría activarse en respuesta a un rápido destello de luz cuando un animal está particularmente alerta, pero permanecer inactiva en respuesta a la misma luz cuando la atención del animal está en otra parte.

Gepshtein compara la nueva comprensión con la dualidad onda-partícula en física y química: la idea de que la luz y la materia tienen propiedades tanto de partículas como de ondas. En algunas situaciones, la luz se comporta como una partícula (también llamada fotón). En otras situaciones se comporta como una onda. Las partículas están confinadas a un lugar específico y las ondas se distribuyen en muchos lugares. Ambas formas de mirar la luz son necesarias para explicar su complejo comportamiento.

“La visión tradicional de la función cerebral describe la actividad cerebral como la interacción de las neuronas. Debido a que cada neurona está confinada a una ubicación específica, esta vista es similar a describir la luz como una partícula”, dice Gepshtein, director del Salks Collaboratory for Adaptive Sensory Technologies. “Descubrimos que, en algunas situaciones, la actividad cerebral se puede describir mejor como la interacción de las ondas, que es similar a cómo se describe la luz como una onda. Ambas perspectivas son necesarias para comprender el cerebro”.

Algunas propiedades de las células sensoriales observadas en el pasado no eran fáciles de explicar dado el enfoque de «partículas» del cerebro. En el nuevo estudio, el equipo observó la actividad de 139 neuronas en un modelo animal para comprender mejor cómo las células coordinaron su respuesta a la información visual. Trabajando con el físico Sergey Savel’ev de la Universidad de Loughborough, crearon un marco matemático para interpretar la actividad de las neuronas y predecir nuevos fenómenos.

Descubrieron que la mejor manera de explicar el comportamiento de las neuronas es a través de la interacción de ondas microscópicas de actividad, en lugar de la interacción de neuronas individuales. En lugar de un destello de luz que activa células sensoriales especializadas, los investigadores mostraron cómo crea patrones distribuidos: ondas de actividad a través de muchas células vecinas, con picos y valles de activación alternos, como las olas del océano.

Cuando estas ondas se generan simultáneamente en diferentes lugares del cerebro, inevitablemente chocan. Cuando dos picos de actividad se encuentran, crean una actividad aún mayor, mientras que cuando un valle de baja actividad se encuentra con un pico, potencialmente lo cancela. Este proceso se llama interferencia de ondas.

«Cuando estás en el mundo, hay muchas, muchas entradas y así es como se crean todas estas olas diferentes», dice Albright. «La reacción neta del cerebro al mundo que te rodea tiene que ver con cómo interactúan todas estas ondas».

Para probar su modelo matemático de cómo se producen las ondas nerviosas en el cerebro, el equipo diseñó un experimento visual complementario. Se pidió a dos personas que identificaran una línea delgada y tenue (‘sonda’) ubicada en una pantalla flanqueada por otros patrones de luz. Lo bien que la gente hizo esta tarea, encontraron los investigadores, depende de dónde se ubicó la sonda. La capacidad de detectar la sonda aumentó en algunos lugares y disminuyó en otros, formando una onda espacial predicha por el modelo.

«Su capacidad para ver esta sonda en cualquier lugar depende de cómo se superponen las ondas neuronales en ese lugar», dice Gepshtein, quien también es miembro del Centro de Neurobiología de la Visión de Salk. «Y ahora hemos propuesto cómo el cerebro media eso».

Descubrir cómo interactúan las ondas neuronales es mucho más amplio que explicar esta ilusión óptica. Los investigadores plantean la hipótesis de que los mismos tipos de ondas se generan e interactúan entre sí en cada parte de la corteza cerebral, no solo en la parte responsable de analizar la información visual. Esto significa que las ondas generadas por el propio cerebro, por señales ambientales sutiles o por estados de ánimo internos pueden alterar las ondas generadas por la información sensorial.

Esto podría explicar cómo la respuesta del cerebro a algo puede cambiar de un día a otro, dicen los investigadores.

Otros coautores del artículo son Ambarish Pawar de Salk y Sunwoo Kwon de la Universidad de California, Berkeley.

El trabajo fue apoyado en parte por el Centro Sloan-Swartz de Neurobiología Teórica del Instituto Salk, el Instituto Kavli para el Cerebro y la Mente, la Fundación Conrad T. Prebys, los Institutos Nacionales de la Salud (R01-EY018613, R01-EY029117) y la ingeniería y Consejo de Investigación de Ciencias Físicas (EP/S032843/1).

Acerca del Instituto Salk de Estudios Biológicos: Toda curación tiene un punto de partida. El Instituto Salk encarna la misión de Jonas Salk de hacer realidad los sueños. Sus científicos galardonados y de renombre internacional exploran los fundamentos de la vida y buscan nuevos conocimientos en neurociencia, genética, inmunología y más. El instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico: pequeño por elección, íntimo por naturaleza y valiente ante cualquier desafío. Ya sea cáncer o Alzheimer, envejecimiento o diabetes, la curación comienza en Salk. Obtenga más información en: salk.edu.


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