Los neurocientíficos descubren redes de neuronas que estiran o comprimen su actividad para controlar el tiempo.
Ana Trafton | Oficina de noticias del MIT
El tiempo es fundamental para tocar un instrumento musical, balancear un bate de béisbol y muchas otras actividades. Los neurocientíficos han ideado varios modelos de cómo el cerebro logra su exquisito control sobre el tiempo, el más destacado es que hay un reloj centralizado, o marcapasos, en algún lugar del cerebro que marca el tiempo para todo el cerebro.
Sin embargo, un nuevo estudio de investigadores del MIT proporciona evidencia de un sistema de cronometraje alternativo que se basa en las neuronas responsables de producir una acción específica. Dependiendo del intervalo de tiempo requerido, estas neuronas comprimen o estiran los pasos que dan para generar el comportamiento en un momento específico.
“Lo que encontramos es que es un proceso muy activo. El cerebro no está esperando pasivamente a que un reloj llegue a un punto en particular”, dice Mehrdad Jazayeri, profesor de ciencias de la vida Robert A. Swanson Career Development, miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT y autor principal del estudio.
El postdoctorado del MIT Jing Wang y la expostdoctorado Devika Narain son los autores principales del artículo, que aparece en la edición del 4 de diciembre de Nature Neuroscience . El estudiante graduado Eghbal Hosseini también es autor del artículo.
control flexible
Uno de los primeros modelos de control del tiempo, conocido como el modelo del acumulador de reloj, sugirió que el cerebro tiene un reloj interno o marcapasos que marca el tiempo para el resto del cerebro. Una variación posterior de este modelo sugirió que en lugar de usar un marcapasos central, el cerebro mide el tiempo rastreando la sincronización entre diferentes frecuencias de ondas cerebrales.
Aunque estos modelos de reloj son intuitivamente atractivos, dice Jazayeri, “no se corresponden bien con lo que hace el cerebro”.
Nadie ha encontrado evidencia de un reloj centralizado, y Jazayeri y otros se preguntaron si las partes del cerebro que controlan los comportamientos que requieren una sincronización precisa podrían realizar la función de sincronización por sí mismas. “La gente ahora se pregunta por qué el cerebro querría gastar tiempo y energía para generar un reloj cuando no siempre es necesario. Para ciertos comportamientos, es necesario sincronizar, por lo que tal vez las partes del cerebro que sirven a estas funciones también puedan hacerlo”, dice.
Para explorar esta posibilidad, los investigadores registraron la actividad neuronal de tres regiones del cerebro en animales mientras realizaban una tarea en dos intervalos de tiempo diferentes: 850 milisegundos o 1500 milisegundos.
Los investigadores encontraron un patrón complicado de actividad neuronal durante estos intervalos. Algunas neuronas se dispararon más rápido, otras más lentamente y algunas que habían estado oscilando comenzaron a oscilar más rápido o más lento. Sin embargo, el descubrimiento clave de los investigadores fue que, independientemente de la respuesta de las neuronas, la velocidad a la que ajustaban su actividad dependía del intervalo de tiempo requerido.
En cualquier momento, una colección de neuronas se encuentra en un “estado neuronal” particular, que cambia con el tiempo a medida que cada neurona individual altera su actividad de una manera diferente. Para ejecutar un comportamiento particular, todo el sistema debe alcanzar un estado final definido. Los investigadores encontraron que las neuronas siempre recorrieron la misma trayectoria desde su estado inicial hasta este estado final, sin importar el intervalo. Lo único que cambió fue la velocidad a la que las neuronas recorrieron esta trayectoria.
Cuando el intervalo requerido era más largo, esta trayectoria se “estiró”, lo que significa que las neuronas tardaron más en evolucionar hasta el estado final. Cuando el intervalo era más corto, la trayectoria se comprimía.
“Lo que descubrimos es que el cerebro no cambia la trayectoria cuando cambia el intervalo, solo cambia la velocidad con la que pasa del estado interno inicial al estado final”, dice Jazayeri.
Dean Buonomano, profesor de neurociencia del comportamiento en la Universidad de California en Los Ángeles, dice que el estudio “brinda una hermosa evidencia de que el tiempo es un proceso distribuido en el cerebro, es decir, no hay un solo reloj maestro”.
“Este trabajo también respalda la idea de que el cerebro no dice la hora usando un mecanismo similar a un reloj, sino que se basa en la dinámica inherente a los circuitos neuronales, y que a medida que estas dinámicas aumentan y disminuyen en velocidad, los animales se mueven más rápido o más lento. ” agrega Buonomano, quien no participó en la investigación.
Redes neuronales
Los investigadores centraron su estudio en un bucle cerebral que conecta tres regiones: la corteza frontal dorsomedial, el caudado y el tálamo. Encontraron este patrón neuronal distintivo en la corteza frontal dorsomedial, que está involucrada en muchos procesos cognitivos, y el caudado, que está involucrado en el control motor, la inhibición y algunos tipos de aprendizaje. Sin embargo, en el tálamo, que transmite señales motoras y sensoriales, encontraron un patrón diferente: en lugar de alterar la velocidad de su trayectoria, muchas de las neuronas simplemente aumentaron o disminuyeron su tasa de activación, según el intervalo requerido.
Jazayeri dice que este hallazgo es consistente con la posibilidad de que el tálamo esté instruyendo a la corteza sobre cómo ajustar su actividad para generar un cierto intervalo.
Los investigadores también crearon un modelo informático para ayudarlos a comprender mejor este fenómeno. Comenzaron con un modelo de cientos de neuronas conectadas entre sí de manera aleatoria, y luego lo entrenaron para realizar la misma tarea de producción de intervalos que habían usado para entrenar animales, sin ofrecer orientación sobre cómo el modelo debería realizar la tarea.
Descubrieron que estas redes neuronales terminaron usando la misma estrategia que observaron en los datos del cerebro animal. Un descubrimiento clave fue que esta estrategia solo funciona si algunas de las neuronas tienen actividad no lineal, es decir, la fuerza de su salida no aumenta constantemente a medida que aumenta su entrada. En cambio, a medida que reciben más información, su producción aumenta a un ritmo más lento.
Jazayeri ahora espera explorar más a fondo cómo el cerebro genera los patrones neuronales observados durante intervalos de tiempo variables, y también cómo nuestras expectativas influyen en nuestra capacidad para producir diferentes intervalos.
La investigación fue financiada por la Beca Rubicon de la Organización Científica de los Países Bajos, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Sloan, la Fundación Klingenstein, la Fundación Simons, el Centro de Ingeniería Neural Sensoriomotora y el Instituto McGovern.
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Dr. Martin Passen, a dedicated nutrition educator with a master’s in nutrition education and nearing completion of a clinical nutrition and dietetics master’s. Passionate about sharing valuable information effectively.