Nuestro cerebro tiene la capacidad de reconfigurar de forma dinámica sus circuitos neuronales a fin de procesar adecuadamente la estimulación entrante y promover respuestas correctas a esta. De esta manera, el cerebro puede funcionar tanto de forma localizada como integrada, según sea el caso particular.

Adicionalmente, este mecanismo evita el desarrollo y la destrucción continua de conexiones físicas, favoreciendo la eficiencia y optimizando el gasto energético. Este mecanismo, hasta el momento, era un misterio para la ciencia; sin embargo, recientemente, un equipo de investigadores ha diseñado circuitos neuronales in vitro a partir de lo que se ha logrado reproducir estas funciones cerebrales complejas; en pocas palabras, este avance promueve la comprensión del proceso de reconfiguración dinámica del cerebro.

Los circuitos neuronales pueden trabajar de forma integrada o segregada según sea el caso

La integración dinámica de los circuitos neuronales está asociada al intercambio rápido de información entre redes neuronales que pueden estar en lugares muy lejanos y diferentes entre sí; por su parte, la segregación neuronal implica el procesamiento de información en redes neuronales localizadas.

Nuestro cerebro puede trabajar de ambas formas, es decir, puede pasar de un estado segregado a uno integrado dependiendo de la naturaleza y la intensidad de los estímulos percibidos. Este mecanismo evita la creación y destrucción continua de conexiones físicas, optimizando el uso de energía y aumentando la eficacia del funcionamiento.

Entonces, para ejemplificar, los estímulos que percibimos a través de la vista, el oído y el olfato se procesan de forma segregada en distintas áreas del cerebro, para luego integrarse de alguna forma, según sea necesario.

A modo de ilustración, cuando vemos televisión, se integran estímulos visuales y auditivos, en detrimento de los olfativos; sin embargo, al percibir el olor de algo que se está quemando, nuestro cerebro entra en estado de alerta, integrando y analizando la mayor cantidad de información posible para tomar las decisiones más acertadas.

Los circuitos neuronales pueden conectarse dependiendo de distintos factores.

Hasta el momento, las bases biofísicas de los mecanismos de integración y segregación no se conocían cabalmente; en la misma línea, se ignoraba hasta qué punto está reconfiguración dinámica de los circuitos neuronales dependía de la cantidad de conexiones física entre distintas estructuras del cerebro.

Las conexiones entre módulos determinan la reconfiguración dinámica de los circuitos neuronales

Con el objetivo de investigar el proceso de reconfiguración dinámica cerebral, un equipo de científicos desarrolló un modelo de cerebro in vitro que consiste en cuatro módulos conectados entre sí; cada módulo representa un circuito neuronal especializado. Asimismo, los módulos están cubiertos de proteínas adhesivas, además de nutrientes, a fin de favorecer el desarrollo neuronal y las conexiones entre las células, tanto en cada módulo en sí mismo, como entre módulos. En el video a continuación, podemos observar el modelo en pleno funcionamiento:

 

Para controlar las conexiones neuronales entre módulos, los investigadores emplearon técnicas de neuroingeniería de precisión; de esta forma fue posible controlar el acoplamiento físico entre módulos. Por otro lado, la activación neuronal fue evaluada en función de técnicas de microscopía de fluorescencia de calcio. De esta manera, fue posible estudiar la capacidad del circuito para integrarse o segregarse de forma espontánea dependiendo de varios factores.

De esta manera, se descubrió que los circuitos neuronales pueden estar integrados o segregados de forma permanente, dependiendo de la magnitud y la cantidad de conexiones entre módulos. Específicamente, un circuito óptimo es aquel en el cual los cuatro módulos tienen una conectividad inferior a la mínima necesaria para la integración; esto significa que los pulsos de actividad neuronal son suficientes para reforzar de forma puntual las conexiones y completar la integración.

De esta manera, los circuitos neuronales trabajan en un régimen de coexistencia entre la segregación y la integración. Sin embargo, los investigadores sugieren que está dinámica es excesivamente simple en comparación a lo que se esperaría de un cerebro real; aun así, los resultados allanan el camino para la comprensión de la dinámica de funcionamiento cerebral.

Referencia: Impact of modular organization on dynamical richness in cortical networks (2018). https://www.doi.org/10.1126/sciadv.aau4914

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