EL PAÍS
APUNTES CIENTÍFICOS DESDE EL MIT
Pere Estupinya
Si hace 15 años le hubiéramos preguntado a un neurocientífico cómo se comunican las neuronas de nuestro cerebro nos habría respondido: Un impulso eléctrico viaja a lo largo de la neurona, y cuando llega a su final libera señales químicas para comunicarse con la siguiente. Revolución: añadid las ondas cerebrales como una nueva manera de coordinar a distancia diferentes partes del cerebro.Hablar de “ondas cerebrales” hace 15 años hubiera sonado más a charlatanería que a ciencia capaz de ser testada experimentalmente. Pero en este post, la investigadora Victoria Puig del Picower Institute del MIT nos habla de por qué su estudio es uno de los campos más activos de la neurociencia, y de cómo las ondas cerebrales generadas por la actividad eléctrica de nuestras neuronas pueden ser incluso un mecanismo para comunicar diferentes áreas del cerebro entre sí.
La belleza computacional de las ondas cerebrales Por Vicky Puig
¿Os habéis planteado alguna vez cómo nuestro cerebro se orienta en el espacio? ¿Cómo podemos tener un mapa mental de nuestra casa, la oficina, las paradas del metro? No es una pregunta trivial. Conocemos el mecanismo celular de la navegación espacial y es muy sofisticado. Se lleva a cabo en una zona del cerebro llamada hipocampo. Muchas neuronas del hipocampo son lo que llamamos 'células de lugar' (place cells), neuronas que solamente disparan potenciales de acción cuando estamos en un lugar concreto del espacio, su lugar preferido. Las neuronas del hipocampo también llevan información sobre la velocidad a la que nos movemos. Lo único que falta para poder orientarnos es saber hacia dónde nos dirigimos. Nuestro cerebro monitoriza en todo momento la posición de nuestra cabeza gracias a las 'células de dirección de cabeza' (head direction cells), localizadas en varias zonas del cerebro. La comunicación entre las 'neuronas de lugar' y las 'neuronas de dirección de cabeza' nos orienta, nos informa de hacia dónde vamos y qué hemos dejado atrás. ¿Pero cómo se produce esta comunicación? Creemos que a través de ondas cerebrales.
Las ondas cerebrales son oscilaciones de actividad eléctrica generadas por la sincronización de muchas neuronas. Existen ondas de distintas frecuencias y amplitudes que viajan de un lado a otro de nuestro cerebro. Sabemos con cierto detalle qué ondas aparecen durante el sueño y qué ondas emergen durante distintas tareas cognitivas mientras estamos despiertos. Y estamos empezando a comprender las propiedades que rigen el comportamiento de estas ondas.
En la última década se ha estudiado exhaustivamente la relación de las ondas cerebrales, y la sincronización de las neuronas que las generan, con diversos procesos cognitivos. Durante este tiempo se han descubierto varios fenómenos de sincronización neuronal que nos están dejando a muchos neurocientíficos con la boca abierta, porque dejan entrever la complejidad y exquisitez de los mecanismos celulares que generan las ondas. Os explicaré los dos fenómenos de este tipo más conocidos.
La precesión de fase en el hipocampo
A nivel experimental, es relativamente fácil observar secuencias de activación de 'neuronas de lugar' en el hipocampo de ratas que recorren un pasillo. Las neuronas disparan de forma consecutiva cuando las ratas pasan por lugares adyacentes en el pasillo, dando una información muy precisa al animal sobre dónde se encuentra en cada momento. La secuencia invertida se activa cuando las ratas realizan el itinerario contrario. Y además, pasa algo muy curioso: cuando las ratas están soñando durante el sueño REM se 'reactivan' las mismas secuencias... ¿Soñarán las ratas con su paseo durante el experimento?
Os muestro aquí un video que ha hecho el Dr. Fabian Kloosterman, investigador en el laboratorio de Matthew Wilson en MIT, uno de los laboratorios punteros en el estudio de las ‘neuronas de lugar’. En el video podréis ver a una rata que camina por el pasillo en busca de golosinas, y oiréis los disparos de 7 ‘neuronas de lugar’ que descargan en lugares específicos del pasillo. Los disparos de cada neurona se muestran sobre el pasillo como puntos de distintos colores.
En la figura de abajo está ilustrado un esquema simplificado de los experimentos. La rata corre por un pasillo mientras los investigadores registran, por ejemplo, la actividad de las neuronas 1 a 4 (los disparos están marcados con rectángulos verticales).
Cada neurona dispara potenciales de acción cuando la rata pasa por zonas concretas del pasillo (marcado como círculos alrededor de la rata). Las neuronas 1 a 4 siempre descargan consecutivamente, aunque existe solapamiento entre sus 'lugares favoritos' (place fields).
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Pero ahí va uno de los grandes misterios de la neurociencia: el hipocampo es una estructura clave para otras tareas más complejas que la navegación espacial: la memoria y el aprendizaje. No sabemos cómo el hipocampo es capaz de procesar estas funciones considerando el complejo sistema de sincronización de las 'neuronas de lugar'. Ni siquiera sabemos si las 'neuronas de lugar' juegan algún papel en la memoria y el aprendizaje...
Memorización del orden de objetos dependiente de fase
Nuestro laboratorio aquí en MIT describió recientemente cómo recordamos a nivel neuronal el orden de varios objetos (números, palabras, imágenes...). Por ejemplo, la secuencia de un número de teléfono. El orden de los objetos se mantiene gracias a neuronas que disparan durante distintas fases de cada ciclo de onda, en este caso de la onda gamma (20-80 Hz). A su vez, las ondas gamma se encuentran 'inmersas' o potenciadas en ciclos theta más lentos.
Los modelos computacionales han estimado que si la capacidad de memoria depende del número de ciclos gamma en cada ciclo theta, los humanos podemos memorizar un máximo de 7±2 objetos simultáneamente. Lo interesante es que los experimentos clásicos de capacidad de memoria ya establecieron hace muchos años que 7±2 es el máximo número de objetos que los humanos podemos memorizar. Sabemos que cada persona tiene un patrón de ondas específico. Por lo tanto, la frecuencia de tus ondas cerebrales podría determinar lo bueno o malo que eres memorizando secuencias de cosas... Fenómenos como estos fascinan a neurofisiólogos, matemáticos y científicos computacionales. No sólo por su belleza, sino porque revelan que las ondas cerebrales siguen unas reglas muy estrictas y complejas. Es muy probable que fenómenos como estos sean comunes en muchas zonas del cerebro, pero todavía no los hemos descubierto. La navegación y la memorización secuencial de objetos son en realidad tareas cognitivas sencillas y fáciles de estudiar. Es posible que en un futuro cercano las matemáticas de ondas nos ayuden a comprender cómo una sinfonía de neuronas sincronizadas genera distintos tipos de ondas que hacen que nuestro cerebro haga las maravillas que hace.
Vicky Puig