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14 de Julio de 2021
Neurociencia

Las neuronas, inesperadamente, codifican información en la forma en que se temporizan sus disparos

Observan un patrón temporal de actividad en los cerebros humanos que puede explicar por qué aprendemos tan deprisa.

Cuándo se producen los disparos neuronales, cuenta [Samuel Velasco / Quanta Magazine].

Durante décadas, los neurocientíficos han tratado el cerebro como si fuese una especie de contador Geiger: el número de veces por unidad de tiempo que se disparan las neuronas se considera una medida de su actividad, tal y como el número de chasquidos que hace sonar por unidad de tiempo un contador Geiger indica la intensidad de la radiación. Pero según una nueva investigación, puede que el cerebro se parezca más a un instrumento musical. Cuando se toca el piano, el número de veces que se toquen las teclas por unidad de tiempo cuenta, pero para la música que se haga es también esencial la forma exacta en que se temporizan las notas.

«Es verdaderamente importante no solo cuántas [activaciones neuronales] se producen, sino cuándo exactamente se producen», dice Joshua Jacobs, neurocientífico e ingeniero biomédico de la Universidad de Columbia que ha expuesto nuevas pruebas de esta afirmación en mayo en la revista Cell.

Por primera vez, Jacobs y sus dos coautores han captado la codificación por neuronas de cerebro humano de información espacial por medio de cómo temporizan sus disparos, en vez de mediante su frecuencia temporal. Este fenómeno del disparo temporizado está bien documentado para ciertas áreas cerebrales del cerebro de las ratas, pero el nuevo estudio y otros dan a entender que podría estar mucho más extendido en los cerebros de los mamíferos. «Cuanto más lo buscamos, más lo vemos», dice.

Algunos investigadores creen que el descubrimiento podría servir para resolver un misterio de la mayor importancia: ¿cómo aprenden tan deprisa los cerebros?

El fenómeno se llama precesión de fase. Es una relación entre el ritmo continuo de una onda cerebral (el flujo y reflujo general de la señalización eléctrica en un área del cerebro) y los momentos específicos en que las neuronas de esa área cerebral se activan. Una onda cerebral theta, por ejemplo, sube y baja conforme a una pauta coherente a lo largo del tiempo, pero las neuronas se disparan incoherentemente, en diferentes puntos de la trayectoria de la onda. De esta forma, las ondas cerebrales actúan como un reloj, dice uno de los coautores del estudio, Salman Qasim, también de la Universidad de Columbia. Gracias a ellas, las neuronas temporizan de forma precisa sus disparos, de modo que estos caigan en un intervalo estrecho con respecto al disparo de otras neuronas, con lo cual se forman conexiones entre ellas.

Los investigadores empezaron a tener constancia de la precesión de fase hace décadas, entre las neuronas de cerebros de rata que codifican información relativa a la posición espacial. Los cerebros humanos y los de rata poseen esas llamadas células de lugar, cada una de las cuales está sintonizada con una región específica o «campo de lugares». Parece que nuestros cerebros cambian la escala de esos campos de lugaes de modo que cubran nuestro entorno actual, se trate de kilómetros de autopista o de las habitaciones de casa, explica Kamran Diba, neurocientífico de la Universidad de Michigan. Cuanto más cerca se esté de un campo de lugares, más deprisa se dispara la célula de lugar correspondiente. Cuando se sale de un campo de lugares y se entra en otro, el disparo de la primera célula decae, mientras que el de la segunda va a más.

Pero no solo está la velocidad a que se dispara, sino el momento en que se produce cada uno de los disparos: cuando la rata atraviesa un campo de lugares, la célula de lugar asociada va disparándose cada vez más pronto con respecto al ciclo de la onda theta de fondo; y cuando al fin la rata pasa de un campo de lugares a otro, el más temprano de los disparos de la primera célula de lugar se produce cerca en el tiempo del disparo aún tardío de la célula de lugar siguiente. La casi coincidencia de esos disparos hace que la sinapsis, o conexión, entre ellas se fortalezca, y este acoplamiento de las células de lugar inscribe la trayectoria de la rata en el cerebro. (Parece que la información se codifica por medio del fortalecimiento de sinapsis solo cuando las dos neuronas disparan dentro de un intervalo de solo unas decenas de milisegundos).

La precesión de fase es evidente en las ratas. «Es tan prominente y prevalente en el cerebro de los roedores, que dan ganas de suponer que es un mecanismo generalizable», dice Qasim. Se han identificado también precesiones de fase en el procesamiento de señales de murciélagos y titíes, pero hasta hace poco no se las había observado en cerebros humanos.

Monitorizar neuronas individuales es demasiado invasivo para hacerlo con un participante humano medio de un estudio, pero el equipo de la Universidad de Columbia aprovechó los datos recogidos hace años en trece pacientes con epilepsia a los que ya se les habían implantado electrodos para cartografiar las señales eléctricas durante los ataques. Los electrodos registraron los disparos de neuronas individuales mientras los pacientes se abrían paso, manejando un joystick, en una simulación de realidad virtual. Mientras los pacientes maniobraban, los investigadores encontraron la precesión de fase en un 12 por ciento de las neuronas que tenían vigiladas.

Extraer esas señales requirió un análisis estadístico muy depurado, ya que los seres humanos exhiben un patrón más complejo de ondas cerebrales superpuestas que los roedores, y también porque la parte de nuestra actividad neuronal que se dedica a la navegación es menor. Pero los investigadores pudieron establecer concluyentemente que allí había precesión de fase.

Según otra investigación, puede que esa precesión de fase no sea crucial solo para la navegación. En animales, se ha ligado el fenómeno a percepciones no espaciales, como el procesamiento de sonidos y olores. Y en los seres humanos, el año pasado, una investigación de la que Jacobs fue uno de los autores encontró la precesión de fase en células cerebrales sensibles al tiempo. Según una prepublicación no revisada aún por pares, de científicos cognoscitivos de Francia y Holanda, en el procesado de imágenes seriales también interviene la precesión de fase. Por último, en el nuevo estudio de Jacobs, aparece no solo en la navegación en el sentido literal de la palabra, sino también cuando las personas progresan en la simulación hacia metas abstractas.

Estos estudios señalan que gracias a la precesión de fase el cerebro encadena secuencias de tiempos, imágenes y sucesos de la misma forma que lo hace con las posiciones espaciales. «Haber hallado esa primera prueba realmente le abre la puerta a que se trate de alguna especie de mecanismo codificador universal del cerebro, posiblemente en las distintas especies de mamíferos», dice Qasim. «Podría estar perdiéndose mucho codificado de información si no se toma nota de la temporización relativa de la actividad neuronal». 

Los neurocientíficos, de hecho, persiguen un nuevo tipo de codificación cerebral para responder la vieja pregunta: «¿Cómo codifica tan deprisa el cerebro la información?». Se sabe que hay patrones de los datos externos que se inscriben en los patrones de disparo de la red mediante el fortalecimiento y el debilitamiento de las conexiones sinápticas. Pero los investigadores de la inteligencia artificial tienen de ordinario que entrenar las redes neuronales artificiales con cientos o miles de ejemplos de un patrón o de un concepto antes de que la fuerza de las sinapsis se ajuste lo suficiente para que la red aprenda el patrón. Misteriosamente, los seres humanos podemos aprender de ordinario con solo un ejemplo, o un puñado de ellos.

La precesión de fase podría desempeñar un papel en esa disparidad. Una pista al respecto procede de un estudio de unos investigadores de la Johns Hopkins que vieron que la precesión de fase se manifiesta en ratas que aprenden un circuito que no les es conocido: en la primera vuelta. «En cuanto se está aprendiendo algo, este patrón del aprendizaje de secuencias ya está en funcionamiento», añade Qasim. «Puede que facilite el aprendizaje muy rápido de secuencias», dice Diba.

Hay otras teorías sobre nuestra rapidez al aprender. Y los investigadores recalcan que con los limitados estudios de que se dispone hasta ahora es difícil sacar conclusiones acerca de si la precesión de fase desempeña un amplio papel en el cerebro.

No obstante, puede ser conveniente una búsqueda exhaustiva del fenómeno. Bradley Lega, neurólogo del Centro Médico del Sudoeste, de la Universidad de Texas, dice que «son muchos los problemas que la precesión de fase puede resolver». 

Elena Renken / Quanta Magazine.

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Phase precession in the human hippocampus and entorhinal cortex», de Salman E. Qasim, Itzhak Fried y Joshua Jacobs, en Cell, volumen 184, número 12P3242-3255.E10, 10 de junio de 2021.

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