Uno de los rasgos más importantes y sorprendentes del cerebro es su capacidad para reconfigurar dinámicamente las conexiones para procesar y responder adecuadamente a los estímulos. Investigadores de la Universidad de Tohoku Sendai, Japón y la Universidad de Barcelona, utilizando herramientas de neuroingeniería, han creadocircuitos neuronales in vitro que reproducen la capacidad de segregación e integración de los circuitos cerebrales y que permiten a los investigadores comprender las claves de la reconfiguración dinámica. El estudio ha sido publicado en Avances científicos .
La reconfiguración dinámica se entiende como el fortalecimiento o debilitamiento de las conexiones al aumentar o disminuir la actividad neuronal. En el cerebro, un aumento en la cohesión de los circuitos neuronales se conoce como integración, y una disminución se conoce como segregación ". Este estudio muestra queimportancia de la organización modular para maximizar la flexibilidad de un circuito neural. También muestra el potencial de las herramientas in vitro y los modelos biofísicos para progresar en la comprensión de los fenómenos colectivos en un sistema complejo tan fascinante y rico como el cerebro ", dice Jordi Soriano, investigadoren el Instituto de Sistemas Complejos de la UB UBICS y coautor del estudio.
La integración está vinculada al intercambio rápido de información entre circuitos diferentes y distantes, mientras que la segregación está vinculada al procesamiento de información en circuitos localizados. El cerebro pasa de un estado segregado a uno integrado dependiendo de la naturaleza y la fuerza de los estímulos. Reconfiguración dinámicaevita crear y destruir conexiones físicas, una estrategia tan ineficaz como energéticamente costosa, por lo tanto, los estímulos que llegan a través de la vista, el oído y el olfato, se procesan de forma segregada en la corteza cerebral para integrarse parcial o totalmente de acuerdo con las necesidades.En una película, integramos imágenes y sonidos, ignorando los olores y otros estímulos. Sin embargo, cuando notamos un olor a algo quemándose, el cerebro entra en un estado de advertencia, de modo que integramos y analizamos toda la información disponible para tomar decisiones rápidas.
A pesar de la importancia de la integración y la segregación, los mecanismos biofísicos vinculados a las reconstrucciones dinámicas aún no se comprenden bien. Además, otro elemento desconocido es la sensibilidad de la capacidad de integración-segregación con respecto a la cantidad de conexiones físicas existentes entre las regiones del cerebro.
El modelo de cerebro in vitro que desarrollaron los investigadores consta de cuatro módulos interconectados. Cada módulo representa un circuito neuronal especializado vista u oído, por ejemplo. Estos cuatro módulos están cubiertos por proteínas adhesivas y nutrientes donde se desarrollan las neuronas. Estas neuronas están conectadasentre ellos dentro de un módulo y con otras neuronas en otros módulos. La neuroingeniería de precisión permite controlar las conexiones que van de un módulo a otro y, por lo tanto, permite ajustar el nivel de acoplamiento físico entre módulos. Los estímulos en este modelo corresponden a neural espontáneoactivaciones
Utilizando imágenes de calcio fluorescente para detectar activaciones neuronales, los investigadores estudiaron la capacidad del circuito para integrarse o segregarse espontáneamente dependiendo del nivel de conectividad entre módulos y otros factores ". Lo que vimos es que el circuito está completamente integrado o segregado cuandoel número de conexiones entre módulos es demasiado grande o demasiado pequeño. El circuito óptimo es aquel en el que cuatro módulos tienen una conectividad justo por debajo del mínimo para integrarse, de modo que los pulsos de actividad neuronal son suficientes para reforzar las conexiones y completar la integración. Efectivamente, este circuito óptimo -activado espontáneamente: funciona en un régimen donde coexisten la integración y la segregación. Por supuesto, la dinámica observada aún está lejos de la complejidad en el cerebro real, pero pudimos obtener una idea de los mecanismos fundamentales que dan forma a la dinámica del cerebro ", señala Hideaki Yamamoto, investigador en la Universidad de Tohoku.
El estudio ha sido dirigido por Ayumi Hirano-Iwata y Hideaki Yamamoto, de la Universidad de Tohoku Japón y Jordi Soriano de la Universidad de Barcelona España, se unieron con Shigeo Sato e Hisanao Akima Universidad de Tohoku, Michio Niwano Tohoku Fukushi University, Takashi Tanii Universidad de Waseda, Shigeru Kubota Universidad de Yamagata y Sara Teller Universidad de Barcelona.
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Materiales proporcionado por Universidad de Barcelona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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