Las alucinaciones son espeluznantes y, afortunadamente, bastante raras. Pero, según sugiere un nuevo estudio, la verdadera pregunta no es tanto por qué algunas personas las experimentan ocasionalmente. Es por qué todos nosotros no estamos alucinando todo el tiempo.
En el estudio, los neurocientíficos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford estimularon las células nerviosas en la corteza visual de los ratones para inducir una imagen ilusoria en las mentes de los animales. Los científicos necesitaban estimular un número sorprendentemente pequeño de células nerviosas o neuronas, parapara generar la percepción, lo que causó que los ratones se comporten de una manera particular.
"En 2012, habíamos descrito la capacidad de controlar la actividad de neuronas seleccionadas individualmente en un animal despierto y alerta", dijo Karl Deisseroth, MD, PhD, profesor de bioingeniería y de psiquiatría y ciencias del comportamiento ". Ahora, parala primera vez, hemos podido avanzar en esta capacidad para controlar múltiples células especificadas individualmente a la vez, y hacer que un animal perciba algo específico que de hecho no está realmente allí y se comporte en consecuencia ".
El estudio, que se publicará en línea el 18 de julio en ciencia , tiene implicaciones para obtener una mejor comprensión del procesamiento de información natural en el cerebro, así como de trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia, y señala la posibilidad de diseñar dispositivos protésicos neurales con resolución unicelular.
Deisseroth es el autor principal del estudio. La autoría principal es compartida por los científicos James Marshel, PhD y Sean Quirin, PhD; el estudiante de posgrado Yoon Seok Kim; y el erudito postdoctoral Timothy Machado, PhD.
Usando optogenética
Deisseroth, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y titular de la cátedra DH Chen, fue pionero en la optogenética, una tecnología que permite a los investigadores estimular neuronas particulares en animales que se mueven libremente con pulsos de luz y observar los efectos resultantes en el cerebro de los animalesfunción y comportamiento.
En el nuevo estudio, Deisseroth y sus colegas insertaron una combinación de dos genes en un gran número de neuronas en la corteza visual de ratones de laboratorio. Un gen codificó una proteína sensible a la luz que provocó que la neurona se disparara en respuesta a un pulso deluz láser de un color estrechamente definido, en este caso, en el espectro infrarrojo. El otro gen codificó una proteína fluorescente que brillaba en verde cuando la neurona estaba activa.
Los científicos crearon ventanas craneales en los ratones al quitar una porción de los cráneos de los animales para exponer parte de la corteza visual, que tanto en ratones como en humanos es responsable de procesar la información transmitida desde la retina. Los investigadores protegieron esta área expuesta conuna cubierta de vidrio transparente. Luego podrían usar un dispositivo que desarrollaron con el propósito del estudio para proyectar hologramas configuraciones tridimensionales de fotones específicos sobre y dentro de la corteza visual. Estos fotones aterrizarían en puntos precisos a lo largoneuronas específicas. Los investigadores pudieron monitorear la actividad resultante de casi todas las neuronas individuales en dos capas distintas de la corteza cerebral que abarca aproximadamente 1 milímetro cuadrado y que contiene del orden de varios miles de neuronas.
Con sus cabezas fijadas en una posición cómoda, a los ratones se les mostró una serie aleatoria de barras horizontales y verticales en una pantalla. Los investigadores observaron y registraron qué neuronas en la corteza visual expuesta se activaron preferentemente por una u otra orientación.Con estos resultados, los científicos pudieron identificar poblaciones dispersas de neuronas individuales que se "sintonizaron" en pantallas visuales horizontales o verticales.
Luego pudieron "reproducir" estas grabaciones en forma de hologramas que producían puntos de luz infrarroja en neuronas que respondían a barras horizontales o verticales. La actividad neuronal aguas abajo resultante, incluso en lugares relativamente lejanosde las neuronas estimuladas, fue bastante similar al observado cuando el estímulo natural, una barra negra horizontal o vertical sobre un fondo blanco, se mostraba en la pantalla.
Los científicos entrenaron a los ratones para lamer el agua del extremo de un tubo cercano cuando vieron una barra vertical pero no cuando vieron una horizontal o no vieron ninguna. En el transcurso de varios días, como la capacidad de los animales para discriminar entreLas barras horizontales y verticales mejoraron, los científicos redujeron gradualmente el contraste blanco y negro para hacer la tarea progresivamente más difícil. Descubrieron que el rendimiento de los ratones se animó si los científicos complementaban las pantallas visuales con estimulación optogenética simultánea: por ejemplo, si el rendimiento de un animal se deteriorabaComo resultado de un contraste reducido, los investigadores podrían aumentar sus poderes de discriminación al estimular las neuronas previamente identificadas como predispuestas a disparar en respuesta a una barra horizontal o vertical.
Este aumento se produjo solo cuando la estimulación optogenética fue consistente con la estimulación visual, por ejemplo, una visualización de barra vertical más la estimulación de neuronas previamente identificadas como susceptibles de disparar en respuesta a barras orientadas verticalmente.
ratones alucinantes
Una vez que los ratones se volvieron expertos en discriminar entre barras horizontales y verticales, los científicos pudieron inducir el comportamiento de lamer los tubos en los ratones simplemente proyectando el programa holográfico "vertical" en la corteza visual de los ratones. Pero los ratones no lo hicieron.lame el tubo si en su lugar se proyectó el programa "horizontal".
"No solo el animal está haciendo lo mismo, sino que el cerebro también", dijo Deisseroth. "Así que sabemos que estamos recreando la percepción natural o creando algo muy parecido".
En sus primeros experimentos, los científicos habían identificado numerosas neuronas sintonizadas en orientación horizontal o vertical, pero aún no habían estimulado directamente cada una de esas neuronas en particular por vía optogenética. Una vez que los ratones fueron entrenados, estimulación optogenética de pequeñosel número de estas neuronas fue suficiente para que los ratones respondieran con un comportamiento apropiado de lamer o no lamer
Los investigadores se sorprendieron al descubrir que la estimulación optogenética de unas 20 neuronas, o menos en algunos casos, seleccionadas solo por responder a la orientación correcta, podría producir la misma actividad neuronal y comportamiento animal que mostrar la barra vertical u horizontal.
"Es notable la cantidad de neuronas que necesita estimular específicamente en un animal para generar una percepción", dijo Deisseroth.
"Un cerebro de ratón tiene millones de neuronas; un cerebro humano tiene muchos miles de millones", dijo. "Si solo 20 o más pueden crear una percepción, entonces ¿por qué no estamos alucinando todo el tiempo, debido a la actividad aleatoria espuria? Nuestroel estudio muestra que la corteza de los mamíferos está de alguna manera preparada para responder a un número asombrosamente bajo de células sin causar percepciones espurias en respuesta al ruido ".
Deisseroth es miembro de Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai de Stanford.
La Oficina de Licencias Tecnológicas de Stanford ha presentado una solicitud de patente para propiedad intelectual asociada con el trabajo.
El trabajo fue financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, HHMI, los Institutos Nacionales de Salud becas R01MH075957 y P50DA042012, la Fundación Simons, el Fondo de la Familia Wiegers, la Fundación Nancy y James Grosfeld, el Fondo Sam y Betsy Reeves, la Fundación HL Snyder, la Fundación Burroughs-Wellcome, la Fundación McKnight, la Fundación James S. McDonnell y la Fundación Swartz.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Medicina de Stanford . Original escrito por Bruce Goldman. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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