Las neuronas se comunican entre sรญ enviando pulsos rรกpidos de seรฑales elรฉctricas llamadas picos.ย A primera vista, la generaciรณn de estos picos puede ser muy confiable: cuando una neurona aislada recibe repetidamente exactamente la misma entrada elรฉctrica, encontramos el mismo patrรณn de picos.ย ยฟPor quรฉ, entonces, la actividad de las neuronas corticales en un animal vivo fluctรบa y parece realmente tan variable?
Hay dos razones para esto.ย
En primer lugar, cuando se transmite una seรฑal a otra neurona, el proceso a veces puede fallar y estas fallas son impredecibles, como tirar un dado para decidir un resultado.ย “Estimamos que la posibilidad de una sinapsis entre dos neuronas piramidales corticales que pasan una seรฑal de neurotransmisor quรญmico puede ser tan baja como 10%”, explica el investigador principal Max Nolte.ย Esta incertidumbre significa que una neurona escucharรก el mismo mensaje enviado por las neuronas conectadas de manera diferente cada vez.
En segundo lugar, cuando los dos tipos fundamentales de neuronas corticales (excitatoria e inhibitoria) estรกn interconectados en una red, se amplifican pequeรฑas incertidumbres en los patrones de actividad.ย Esto lleva a patrones impredecibles, un comportamiento que se llama caos.
Este telรณn de fondo de ruido y caos sugiere que las neuronas corticales individuales no pueden encontrar el orden y disparar picos confiables, por lo que el cerebro tiene que ‘promediar’ la actividad de muchas neuronas para estar seguro: escuche a todo el coro en lugar de cantantes individuales.
La neurociencia de simulaciรณn encuentra la respuesta.
Las manipulaciones experimentales requeridas para desenredar las fuentes de ruido en el cerebro y evaluar su impacto en la actividad neuronal son actualmente imposibles de realizar en un animalย vivo in vivo, o incluso en tejido cerebral separadoย in vitro.ย “Por el momento, simplemente no es posible controlar todos los miles de entradas de todo el cerebro a una neuronaย in vivo, ni para encender y apagar diferentes fuentes de ruido”, dice Nolte.ย
La aproximaciรณn mรกs cercana del tejido cortical hasta la fecha en un modelo es la reconstrucciรณn digital biolรณgicamente detallada del Microcircuito neocortical del Proyecto del Cerebro Azul (Cell 2015).ย Este modelo de computadora proporcionรณ la plataforma ideal para que los investigadores estudien en quรฉ medida pueden entenderse las voces de las neuronas individuales, ya que contiene modelos con restricciรณn de datos de la transmisiรณn de seรฑal no confiable entre neuronas.
Usando este modelo, descubrieron que la actividad que se genera espontรกneamente a partir de las neuronas interconectadas es muy ruidosa y caรณtica, y representa tiempos de pico muy diferentes en cada repeticiรณn. “Estudiamos el origen y la naturaleza de la variabilidad interna cortical con un modelo biofรญsico de microcircuito neocortical con fuentes de ruido biolรณgicamente realistas”, revela Nolte.ย “Observamos que las seรฑales de neurotransmisores poco confiables se amplifican por la dinรกmica recurrente de la red, causando una memoria del pasado que decae rรกpidamente: un mar de ruido y caos”.
Respuestas confiables en medio del ruido y el caos.
Pero, por supuesto, el cerebro de los mamรญferos no tiene una memoria en descomposiciรณn rรกpida.ย De hecho, quizรกs la idea mรกs fascinante de los hallazgos es que los tiempos de pico que eran poco confiables durante la actividad espontรกnea se volvieron altamente confiables cuando el circuito recibiรณ entradas externas.ย Este fenรณmeno no fue simplemente el resultado de una fuerte entrada externa que condujo directamente a las neuronas a respuestas confiables.ย
Incluso una entrada talamocortical dรฉbil podrรญa cambiar la red brevemente a un rรฉgimen de picos altamente confiable.ย En ese punto, las interacciones entre las neuronas que de otro modo amplifican la incertidumbre y el caos a la inversa amplifican la confiabilidad y permiten que el cerebro encuentre el orden.
“Los estรญmulos talamocorticales pueden provocar tiempos de pico confiables con una precisiรณn de milisegundos en medio del ruido y el caos”, explica el Fundador y Director de Blue Brain, Prof. Henry Markram.ย โSorprendentemente, pudimos demostrar que este efecto depende de que las neuronas corticales trabajen en equipo.ย
Por lo tanto, nuestro modelo muestra que el ruido y el caos en las redes de neuronas corticales son compatibles con los picos confiables, lo que permite que el cerebro encuentre el orden. Este hallazgo sugiere que la actividad altamente fluctuante de las neuronas corticales en un animal vivo refleja el orden, no el ruido y el caosโ, concluye Markram.
Mayor informaciรณn: Max Nolte,ย Michael W. Reimann,ย James G. King, et al. ยซCortical reliability amid noise and chaosยปย Nature Communications, Published: 22 August 2019.
