Anna Levina: premio Sofja Kovalevskaja en Neurociencia

07/11/2017 0 comentarios
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En esta entrada del blog sintetizamos las principales líneas de investigación en neurociencia de Anna Levina, reciente ganadora del prestigioso premio Sofja Kovalevskaja.

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Hace apenas un mes, la científica y editora de Investigación y Ciencia, Bruna Espar, nos envió un correo invitándonos a los autores que escribimos en SciLogs a publicar alguna entrada relativa a la temática del reciente monográfico de Investigación y Ciencia, titulado "Sexo, Género y Ciencia". Sirva este pequeño artículo para resaltar la puntera investigación llevada a cabo por uno de los grandes nombres de la neurociencia actual, Anna Levina, premio Sofía Kovalevskaya en 2017. Este premio, creado en honor de la gran matemática rusa y concedido por la Fundación Alexander von Humboldt, reconoce la excelencia investigadora en jóvenes científicos cuya tesis doctoral sea todavía reciente.

La principal línea de investigación de la doctora Levina se centra en el estudio de los fenómenos críticos en un sistema complejo, como es el cerebro y, en concreto, en las llamadas "avalanchas neuronales".

Las avalanchas neuronales son estallidos espontáneos de actividad sincronizada que se distribuyen en clusters de sitios s de acuerdo con una ley de potencias con un exponente cuyo valor se sitúa entre -1 y -2. Y así, dado un estallido de un tamaño s, un estallido que doblará el tamaño de aquél tendrá lugar dos veces elevado al exponente, menos frecuentemente. Siguiendo a Petermann et al. (2009), este tipo de dinámica presenta las siguientes interesantes propiedades: (a) requiere una transmisión sináptica equilibrada entre la actividad excitatoria y la inhibitoria; (b) se presenta tanto en condiciones "in vivo" como "in vitro" y (c) parece ser una propiedad intrínseca de la corteza cerebral.

Situando electrodos en cerebros de animales y, registrando su actividad, la autora y sus colaboradores buscan encontrar trenes de ondas localmente sincronizadas y correlacionadas en diferentes sitios corticales. El inicio de cada cluster es definido temporalmente con una serie de valoraciones de milisegundos.

Pero ¿cuál es la verdadera causa de las avalanchas? Las neuronas operan en un punto crítico, en contraste con un régimen supercrítico en el que cada "input" se expande de una manera explosiva a través de la red-similar a una reacción nuclear incontrolada en cadena- o un régimen subcrítico, en el que las cascadas terminan prematuramente. Si los sistemas intentan maximizar la probabilidad de vincular sitios distantes mediante cascadas, evitando una activación en masa no selectiva, podemos, pues, hablar de dinámica crítica. Parece evidente que, dado que esta condición crítica exhibe una mezcla de patrones de excitación tanto ordenados como desordenados, las redes neuronales en estado crítico han de ser capaces de generar el máximo repertorio de configuraciones dinámicas posibles. Lo que es peculiar es el patrón estadístico de comportamiento seguido por estas avalanchas. Hay muchas más avalanchas pequeñas que grandes puesto que solo suele comprometerse en este tipo de actividad, un pequeño grupo de neuronas.

¿Cuál es el origen y el significado funcional de estas avalanchas? Todavía no hemos encontrado una explicación precisa pero lo que es evidente es que el cerebro va creando y reconfigurando redes neuronales complejas con una dinámica correlacionada que responde al tráfico entre zonas. Si observamos mediante resonancia magnética funcional el comportamiento del cerebro en reposo, desde correlaciones lineales bastante simples, las señales dependientes del nivel de oxigenación de la sangre o BOLD, reflejan unos pocos grupos neuronales emergiendo, como si de unas nubes que pasan se tratara. Lo curioso es que esta suerte de nubes visitan las mismas regiones cerebrales activadas durante cualquier tipo de conducta activa y que estas redes son identificables de forma muy consistente entre los sujetos, incluso durante el sueño o los efectos de la anestesia. Así pues, la Biología del cerebro nos muestra dinámicas colectivas emergentes que remiten a un fenómeno tal como la "criticalidad", que tanto ha sido estudiado en Física.

Referencia

Petermann, T., Thiagarajan, T.C., Lebedev, M.A., Nicolelis, M.A., Chialvo, D. y D. Plenz,  Spontaneous cortical activity in awake monkeys composed of neuronal avalanches. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Sep 15;106(37):15921-6. doi: 10.1073/pnas.0904089106. Epub 2009 Aug 26.