Un experimento ‘in vitro’ aclara el grado óptimo de conectividad entre diferentes módulos del cerebro y cómo se produce la reconfiguración dinámica

Martin420 (Wikimedia)
Martin420 (Wikimedia)

El cerebro es un gran desconocido debido a su complejidad. Sin embargo, los investigadores no se dan por vencidos y continúan buscando la forma de descifrar los secretos de este órgano. De hecho, un grupo formado por investigadores de las universidades de Barcelona (UB) y Tohoku (Sendai, Japón) ha realizado un experimento in vitro que les ha permitido desentrañar un poco más el misterio de la gran flexibilidad del cerebro para conectar y desconectar rápidamente diferentes regiones.

El cerebro se podría comparar con el circuito de semáforos de una ciudad. La información recogida por los sentidos se puede quedar en el mismo barrio a la que llega, a lo que se le llama segregación, mientras que si pasa a otros barrios o a toda la ciudad estaríamos ante la integración. El salto de segregación a integración en el cerebro se consigue reforzando temporalmente las conexiones existentes, o poniendo semáforos estratégicos en verde en una ciudad, un proceso que se conoce como reconfiguración dinámica. Los mecanismos biofísicos de este proceso es lo que han estudiado in vitro y que está relacionado con enfermedades como el párkinson. “El cerebro sano trabaja combinando integración y segregación continuamente, y algunas enfermedades llevan a una pérdida en la capacidad de integración”, señala el investigador del Instituto de Sistemas Complejos de la UB (UBICS) Jordi Soriano, uno de los autores principales del estudio que se ha publicado en Science Advances.

“El cerebro básicamente está construido por módulos y cada módulo (o unidad) hace una función concreta, bien cognitiva bien motora. Estos diferentes módulos son circuitos especializados conectados dentro de sí mismos y que, además, están conectado menos fuertemente con otros circuitos”, ilustra el investigador. “La manera de trabajar del cerebro es que cuando recibe un estímulo, lo procesa a nivel local y después, si es necesario, lo comparte con otras partes del cerebro”, explica. “Pero el cerebro, cuando tiene que compartir información con otra parte tiene que pasar información por las conexiones que ya están hechas, es decir, las tiene que reforzar de alguna manera para fomentar el paso de información por ese sitio”, añade Soriano. Digamos, por ejemplo, que para que la información recogida por los sentidos fluya rápidamente de un barrio a otro, “hacen falta típicamente 15 semáforos en verde sincronizados”. Si dejamos 10 sincronizados y los otros 5 los cambiamos cuando hace falta, podemos distribuir rápidamente el flujo con coste mínimo. Por lo que el objetivo de la investigación era saber cómo funcionan estos semáforos dentro de la compleja conectividad entre módulos del cerebro.

Había varias teorías sobre cómo se conectan los módulos. Se había planteado que se creaban o destruían nuevas conexiones de manera continua. Sin embargo, en ambos casos “se requeriría mucho esfuerzo y tiempo”. Por lo que el grupo de las universidades de Barcelona y Tohoku pensó en otra opción: que las conexiones entre las diferentes regiones del cerebro ya existiesen y que solo se tuvieran que reforzar. “Nosotros nos dimos cuenta de que una manera óptima con la que puede trabajar el cerebro es conectar diferentes regiones justo por debajo de la conectividad mínima y, entonces, cualquier tren de estímulos -es decir, simplemente la actividad neuronal amplificada- te permite reforzar temporalmente las conexiones, construir nuevos puentes, pero que son dinámicos. No se montan nuevas conexiones sino que simplemente el añadir más impulsos en las neuronas estas refuerzan las conexiones y permite el paso de información de manera óptima“, comenta el investigador.

Experimento ‘in vitro’

Los investigadores plantearon un modelo biofísico para ver si estaban en lo correcto. Esto les llevó a plantear el siguiente experimento: “Muchas funciones cerebrales se pueden reproducir in vitro en el laboratorio, lo que hemos hecho es usar herramientas de neuroingeniería, donde lo que hacemos es diseñar módulos donde crecen típicamente unas 25 neuronas y estas unidades las conectamos entre ellas mediante pistas pistas por donde pasan conexiones”, explica a Hipertextual Soriano.

Pero ¿cómo se ha llevado exactamente a cabo? Los módulos son placas de agarosa, un polisacárido que las neuronas odian y “si colocas una neurona encima de la agarosa, huirá, es un repelente muy fuerte“. “Pusimos una capa de agarosa y encima de esta hicimos cuadraditos con proteínas, que a las neuronas les encantan”, señala el investigador. “De esta forma, las neuronas quedan confinadas en este cuadradito y no se van fuera”, añade.

“Colocamos los cuadraditos de proteínas y conectamos los diferentes módulos entre ellos por unas pistas muy finas, también de proteínas. En cada módulo tienes 25 neuronas y se conectan entre regiones por las pistas”, indica Soriano. La idea era hacer tres tipos de conexiones entre estos módulos. Un primer tipo los cuatro módulos pegadps y formaría un supermódulo, mientras que en el segundo tipo habría tres pistas de conexiones entre módulod y en el último tipo, tan solo una pista.

Un experimento 'in vitro' nos acerca a desentrañar algunos misterio 0

El resultado ha corroborado la teoría de los investigadores: “Aunque se sabía que el cerebro trabaja compaginando integración y segregación, no se sabía cómo lo hacía. Así, hemos descubierto que hay un mecanismo que permite que a corto plazo tú puedas amplificar la conexión entre dos regiones del cerebro sin tener que hacer conexiones nuevas. Es decir, el cerebro trabaja en un estado crítico que le permite de manera muy fácil pasar de un estado a otro, es decir, que una pequeña perturbación te permite pasar de integración a segregación y al revés”.

En el caso del supermódulo, los científicos vieron que el sistema no estaría tan conectado que no habría modularidad y funcionaba permanentemente integrado. En el supuesto de los cuatro módulos conectados por tres pistas, “el sistema es modular pero aún hay un exceso de conexiones y el sistema tiende a integrarse continuamente”“. Así que la respuesta estaba en el caso en el que había solo una pista, “el sistema es mucho más modular y, además, está débilmente conectado”, comenta Soriano. “Nos dimos cuenta de que justamente este sistema de cuatro módulos con una pista es el régimen donde la conectividad está justo por debajo de la que te hace falta para compaginar segregación e integración“, afirma.

“En el supermódulo, donde todos conectan con todos, el sistema nunca puede cambiar de integración a segregación y está demasiado conectado. En el caso de las tres pistas, el sistema tiene un exceso de conexiones y es poco modular. Pero, si solo hay una pista, una perturbación pequeña te permite pasar fácilmente a integración o segregación“, añade. “Este modelo in vitro que hemos hecho te permite ver lo que hace el cerebro y ahora entendemos cuáles son los mecanismos biofísicos y lo podemos aprovechar bastante. Primero para entender qué ocurre a nivel biofísico en enfermedades donde la integración no funciona bien, por ejemplo en el párkinson, donde la integración falla debido a la muerte gradual de neuronas”, explica.

Estudiar el párkinson

El grupo de Soriano trabaja con dos hospitales, el de Bellvitge y el Clínic de Barcelona. Gracias a esta colaboración tiene acceso a material para estudiar in vitro el párkinson, el alzhéimer o la enfermedad de Huntington. Y, ahora, gracias a este nuevo experimento tienen “un recurso nuevo para poder investigar in vitro las bases de dinámica y conectividad de los circuitos neuronales afectados y cómo se pueden corregir“.

En el caso del párkinson, que se pierden neuronas y el proceso de integración es más difícil, uno de los tratamientos que se ha visto en la actualidad que parece ayudar, “no es una cura”, es la estimulación profunda del cerebro. Esta técnica consiste en “implantar electrodos en el cerebro de los pacientes y fomentar la estimulación del cerebro”. “Esto permite dar un pasito más para facilitar la integración”, explica Soriano. Es interesante, en palabras del investigador, porque se utiliza esta técnica en párkinson, pero tampoco hay estudios biofísicos detallados que permitan entender por qué se consigue integrar con un poco de electroestimulación. “Y esto es algo que haremos en el futuro”, apunta.

“Los modelos in vitro sencillos permiten entender de manera controlada mecanismos complejos y qué factores los gobiernan, en especial en el contexto de enfermedades mentales. Nosotros, y otros compañeros biofísicos en todo el mundo, creemos que la alianza entre físicos, neuroingenieros y médicos puede ayudar no sólo a entender anomalías en qué le pasa a los circuitos neuronales, sino en desarrollar estrategias para corregirlas de manera eficiente”, concluye Solano Soriano desde el otro lado del teléfono.

Desirée Pozo

Fuente: HIPERTEXTUAL

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Temas: Categorías: Ciencia

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