MADRID 3 Feb. (EUROPA PRESS) -
El primer mapeo y modelización detallados de las entradas del tálamo en las neuronas de la corteza visual muestran que el cerebro aprovecha la denominada 'sabiduría de la multitud' para procesar la información sensorial, según publican los investigadores en la revista 'Nature Neuroscience'.
La corteza cerebral produce la percepción basándose en la información sensorial que recibe a través de una región llamada tálamo. "La forma en que el tálamo se comunica con el córtex es un rasgo fundamental de cómo el cerebro interpreta el mundo", explica Elly Nedivi, catedrática William R. y Linda R. Young del Instituto Picower de Aprendizaje y Memoria del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos.
A pesar de la importancia de la comunicación talámica con el córtex, los neurocientíficos se han esforzado por comprender cómo funciona tan bien, dada la relativa escasez de conexiones observadas, o "sinapsis", entre ambas regiones.
Para ampliar conocimientos, Nedivi reunió una colaboración dentro y fuera del MIT para aplicar varios métodos innovadores. El equipo informa de que las entradas talámicas en las capas superficiales del córtex no sólo son escasas, sino también sorprendentemente débiles y muy diversas en sus patrones de distribución. A pesar de ello, son representantes fiables y eficaces de la información en conjunto, y su diversidad es lo que subyace a estas ventajas.
Esencialmente, al cartografiar meticulosamente cada sinapsis talámica en 15 neuronas de la capa 2/3 de la corteza visual en ratones y modelar después cómo afectaba esa entrada al procesamiento de la información visual de cada neurona, el equipo descubrió que las amplias variaciones en el número y disposición de las sinapsis talámicas las hacían diferencialmente sensibles a las características del estímulo visual.
Por tanto, aunque las neuronas individuales no podían interpretar de forma fiable todos los aspectos del estímulo, una pequeña población de ellas sí podía ensamblar la imagen global de forma fiable y eficiente.
"Parece que esta heterogeneidad no es un error, sino una característica que no sólo aporta una ventaja económica, sino que también confiere flexibilidad y robustez frente a las perturbaciones", afirma Nedivi, autor correspondiente del estudio y miembro de la facultad del MIT en los Departamentos de Biología y Ciencias Cognitivas y del Cerebro.
Aygul Balcioglu, el investigador del laboratorio de Nedivi que dirigió el trabajo, añade que la investigación ha creado una vía para que los neurocientíficos puedan rastrear todas las múltiples entradas individuales que recibe una célula a medida que se produce esa entrada.
"Miles de entradas de información llegan a una sola célula cerebral. A continuación, la célula cerebral interpreta toda esa información antes de comunicar su propia respuesta a la siguiente célula cerebral", explica Balcioglu.
"Lo que es nuevo y nos parece apasionante es que ahora podemos describir de forma fiable la identidad y las características de esas entradas, ya que entradas y características diferentes transmiten información diferente a una determinada célula cerebral --prosigue--. Nuestras técnicas nos permiten describir en animales vivos en qué parte de la estructura de la célula individual se incorpora qué tipo de información. Esto no era posible hasta ahora".
El equipo de Nedivi y Balcioglu eligió la capa 2/3 del córtex porque en ella existe una flexibilidad o "plasticidad" relativamente alta, incluso en el cerebro adulto. Sin embargo, rara vez se ha caracterizado la inervación talámica de esta capa. Además, según Nedivi, aunque el organismo modelo del estudio fueron los ratones, esas capas son las que más se han engrosado a lo largo de la evolución y, por tanto, desempeñan funciones especialmente importantes en el córtex humano.
Mapear con precisión toda la inervación talámica en neuronas enteras de ratones vivos que perciben es una tarea tan desalentadora que nunca se ha hecho.
Para empezar, el equipo utilizó una técnica establecida en el laboratorio de Nedivi que permite observar neuronas corticales enteras con un microscopio de dos fotones utilizando simultáneamente tres etiquetas de colores diferentes en la misma célula, salvo que en este caso utilizaron uno de los colores para etiquetar las entradas talámicas que entraban en contacto con las neuronas corticales etiquetadas.
Siempre que el color de esas entradas talámicas se solapaba con el color que etiquetaba las sinapsis excitatorias en las neuronas corticales, eso revelaba la localización de las entradas talámicas putativas en las neuronas corticales.
Para confirmar sus primeros indicios de entradas talámicas, el equipo recurrió a una técnica denominada MAP, inventada en el laboratorio del Instituto Picower del profesor asociado de Ingeniería Química del MIT.
El análisis reveló que las entradas talámicas eran más bien pequeñas (normalmente se supone que también débiles y quizá temporales), y representaban entre el 2 y el 10 por ciento de las sinapsis excitatorias en neuronas individuales de la corteza visual. La variación en el número de sinapsis talámicas no sólo se producía a nivel celular, sino también en las distintas ramas "dendríticas" de las células individuales, que representaban entre cero y casi la mitad de las sinapsis de una rama determinada.
Estos hechos plantearon un enigma al equipo de Nedivi: si las entradas talámicas eran débiles, dispersas y muy variables, no sólo entre neuronas, sino incluso entre las dendritas de cada neurona, cómo podían servir para transferir información fiable.
Para resolver el enigma, Nedivi recurrió a su colega Idan Segev, profesor de la Universidad Hebrea de Jerusalén especializado en neurociencia computacional. Segev y su estudiante Michael Doron utilizaron las detalladas mediciones anatómicas del laboratorio de Nedivi y la información fisiológica del Allen Brain Atlas para crear un modelo biofísicamente fiel de las neuronas corticales.
El modelo de Segev demostró que cuando las células recibían información visual (las señales simuladas de ver pasar una rejilla por los ojos) sus respuestas eléctricas variaban en función de cómo variaba su entrada talámica.
Algunas células se activaban más que otras en respuesta a distintos aspectos de la información visual, como el contraste o la forma, pero ninguna revelaba mucho sobre la imagen global. Pero con unas 20 células juntas, toda la información visual podía descodificarse a partir de su actividad combinada, lo que se conoce como "sabiduría de la multitud".
Segev comparó el rendimiento de las células con una entrada débil, dispersa y variable, similar a la que midió el laboratorio de Nedivi, con el rendimiento de un grupo de células que actuaban como la mejor célula del grupo.
Hasta un total aproximado de 5.000 sinapsis, el "mejor" grupo de células proporcionó resultados más informativos, pero a partir de ese nivel, el grupo pequeño, débil y diverso obtuvo mejores resultados. En la carrera por representar la entrada visual total con una precisión mínima del 90%, el grupo pequeño, débil y diverso alcanzó ese nivel con unas 6.700 sinapsis, mientras que el grupo de células "mejores" necesitó más de 7.900.
"Así pues, la heterogeneidad supone una reducción de costes en cuanto al número de sinapsis necesarias para una lectura precisa de las características visuales", escriben los autores.
Según Nedivi, el estudio plantea tentadoras implicaciones sobre el funcionamiento de la entrada talámica en el córtex. Una de ellas es que, dado el pequeño tamaño de las sinapsis talámicas, es probable que presenten una "plasticidad" significativa. Otra es que el sorprendente beneficio de la diversidad puede ser una característica general, no sólo un caso especial de la entrada visual en la capa 2/3. Sin embargo, se necesitan más estudios para saberlo con seguridad.
