Un nuevo estudio de investigadores del MIT proporciona evidencia de un sistema de cronometraje alternativo que depende de las neuronas responsables de producir una acción específica. Dependiendo del intervalo de tiempo requerido, estas neuronas comprimen o estiran los pasos que toman para generar el comportamiento en un momento específico.
Los neurocientíficos descubren redes de neuronas que estiran o comprimen su actividad para controlar el tiempo.
El tiempo es crítico 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 central, o marcapasos, en algún lugar del cerebro que mantiene el tiempo para todo el cerebro.
Sin embargo, un nuevo estudio de investigadores del MIT proporciona evidencia de un sistema de cronometraje alternativo que depende de las neuronas responsables de producir una acción específica. Dependiendo del intervalo de tiempo requerido, estas neuronas comprimen o estiran los pasos que toman para generar el comportamiento en un momento específico.
“Lo que encontramos es que es un proceso muy activo. El cerebro no espera pasivamente que un reloj llegue a un punto en particular “, dice Mehrdad Jazayeri, profesor de ciencias de la vida Robert A. Swanson de desarrollo profesional, miembro del Instituto McGovern de Investigación Cerebral del MIT y autor principal del estudio.
El postdoctorado del MIT Jing Wang y la ex postdoc Devika Narain son los principales autores del artículo, que aparece en la edición del 4 de diciembre de Nature Neuroscience . El estudiante de posgrado Eghbal Hosseini también es autor del artículo.
Control flexible
Uno de los primeros modelos de control de sincronización, conocido como el modelo acumulador de reloj, sugirió que el cerebro tiene un reloj interno o un marcapasos que le da tiempo al resto del cerebro. Una variación posterior de este modelo sugirió que en lugar de usar un marcapasos central, el cerebro mide el tiempo al rastrear la sincronización entre las diferentes frecuencias de ondas cerebrales.
Aunque estos modelos de reloj son intuitivamente atractivos, dice Jazayeri, “no encajan bien con lo que hace el cerebro”.
Nadie ha encontrado evidencia de un reloj centralizado, y Jazayeri y otros se preguntaron si partes del cerebro que controlan comportamientos que requieren un tiempo preciso podrían realizar la función del tiempo ellos mismos. “La gente ahora se pregunta por qué el cerebro quiere gastar el tiempo y la energía para generar un reloj cuando no siempre es necesario. Para ciertos comportamientos necesitas hacer el tiempo, así que tal vez las partes del cerebro que sirven estas funciones también pueden hacer el tiempo “, dice.
Para explorar esta posibilidad, los investigadores registraron la actividad neuronal de tres regiones cerebrales en animales mientras realizaban una tarea en dos intervalos de tiempo diferentes: 850 milisegundos o 1,500 milisegundos.
Los investigadores encontraron un patrón complicado de actividad neuronal durante estos intervalos. Algunas neuronas dispararon más rápido, otras dispararon más lento, 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 punto del tiempo, 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 viajaban en 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 fue más largo, esta trayectoria fue “estirada”, lo que significa que las neuronas tardaron más tiempo en evolucionar al estado final. Cuando el intervalo fue más corto, la trayectoria se comprimió.
“Lo que descubrimos es que el cerebro no cambia la trayectoria cuando cambia el intervalo, simplemente cambia la velocidad con la que pasa del estado interno inicial al estado final”, dice Jazayeri.
Dean Buonomano, profesor de neurociencia conductual en la Universidad de California en Los Ángeles, dice que el estudio “proporciona 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 depende de la dinámica inherente a los circuitos neuronales, y que a medida que estas dinámicas aumentan y disminuyen de velocidad, los animales se mueven más rápido o más despacio. “Agrega Buonomano, que 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 neural distintivo en la corteza frontal dorsomedial, que está involucrada en muchos procesos cognitivos, y el núcleo 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 velocidad de disparo, dependiendo del intervalo requerido.
Jazayeri dice que este hallazgo es consistente con la posibilidad de que el tálamo instruya a la corteza sobre cómo ajustar su actividad para generar un cierto intervalo.
Los investigadores también crearon un modelo de computadora para ayudarlos a comprender mejor este fenómeno. Comenzaron con un modelo de cientos de neuronas conectadas de forma aleatoria, y luego lo entrenaron para realizar la misma tarea de producción de intervalos que habían utilizado para entrenar animales, sin ofrecer ninguna guía sobre cómo el modelo debería realizar la tarea.
Descubrieron que estas redes neuronales terminaban 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 vistos durante intervalos de tiempo variables, y también cómo nuestras expectativas influyen en nuestra capacidad de 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 Sensorial Neurológica y el Instituto McGovern.
Fuente: MIT