Los campos eléctricos son fundamentales en la codificación de los recuerdos.

resumen: Nuestros cerebros se han comparado con una orquesta, con neuronas actuando como músicos creando una sinfonía de pensamiento y memoria.

Un estudio reciente reveló el director detrás de esta sinfonía: los campos eléctricos. Estos campos son generados por la actividad eléctrica combinada de las neuronas y coordinados en redes funcionales.

Esta investigación arroja luz sobre el complejo funcionamiento interno del cerebro y podría influir en el futuro de las interfaces cerebro-computadora.

Hechos clave:

1. Los campos eléctricos generados por la actividad eléctrica colectiva de las neuronas coordinan la información en regiones clave del cerebro.
2. Este proceso es posible gracias a un mecanismo llamado «acoplamiento efáptico», que puede afectar la activación de las neuronas, enviando así sus señales a otras neuronas.
3. Los hallazgos podrían mejorar nuestra capacidad para leer información del cerebro y tener implicaciones para el diseño de prótesis controladas por el cerebro.

fuente: Instituto Piccoer para el Aprendizaje y la Memoria

La metáfora del «circuito» del cerebro es tan indiscutible como familiar: las neuronas forjan conexiones físicas directas para crear redes funcionales, por ejemplo, para almacenar recuerdos o producir ideas.

Pero la metáfora también está incompleta. ¿Qué impulsa a estos círculos y redes a converger? Nueva evidencia indica que al menos parte de esta coordinación proviene de campos eléctricos.

El nuevo estudio en corteza cerebral Él muestra que mientras los animales jugaban juegos de memoria de trabajo, la información sobre lo que estaban recordando fue coordinada a través de dos regiones principales del cerebro por el campo eléctrico que surgió de la actividad eléctrica de referencia de todas las neuronas participantes.

El campo, a su vez, parece impulsar la actividad neuronal o las fluctuaciones de voltaje evidentes a través de las membranas celulares.

Si las neuronas son músicos en una orquesta, dijeron los autores del estudio, las regiones del cerebro son sus divisiones y la memoria es la música que producen, entonces el campo eléctrico es el director.

El mecanismo físico por el cual el campo eléctrico predominante afecta el potencial de membrana de las neuronas constituyentes se denomina acoplamiento adhesivo. Estos voltajes de membrana son fundamentales para la actividad cerebral.

Cuando cruza un umbral, las neuronas «suben», enviando una señal eléctrica que envía señales a otras neuronas a través de conexiones llamadas sinapsis. Cualquier cantidad de actividad eléctrica puede contribuir al campo eléctrico dominante que también afecta al pico.

«Muchas neuronas corticales pasan mucho tiempo dudando en el borde de la espiga», dijo Miller. Los cambios en el campo eléctrico que los rodea pueden empujarlos hacia un lado o hacia el otro. Es difícil imaginar que la evolución no se aproveche de eso».

En particular, el nuevo estudio mostró que los campos eléctricos impulsan la actividad eléctrica de las redes de neuronas para producir una representación compartida de la información almacenada en la memoria de trabajo, dijo el autor principal Dimitris Pinoutsis, profesor asociado de la Universidad de la Ciudad de Londres e investigador afiliado de Bequewer. Instituto.

Señaló que los hallazgos podrían mejorar la capacidad de los científicos e ingenieros para leer información del cerebro, lo que podría ayudar a diseñar prótesis controladas por el cerebro para personas con parálisis.

«Utilizando la teoría de sistemas complejos y cálculos matemáticos con lápiz y papel, predijimos que los campos eléctricos del cerebro dirigen a las neuronas para producir recuerdos», dijo Benoutsis.

Nuestros datos experimentales y análisis estadísticos respaldan esta predicción. Este es un ejemplo de cómo las matemáticas y la física arrojan luz sobre áreas del cerebro y cómo pueden generar conocimientos para construir dispositivos de interfaz cerebro-computadora (BCI). «

Los campos prevalecen

En un estudio de 2022, Miller y Pinotsis desarrollaron un modelo biofísico de campos eléctricos generados por la actividad eléctrica neuronal. Demostraron que los campos agregados que se originaron a partir de grupos de neuronas en una región del cerebro eran representaciones más confiables y estables de la información que los animales usaban para jugar juegos de memoria de trabajo que la actividad eléctrica de las neuronas individuales. Las neuronas son dispositivos algo volubles cuyas fluctuaciones producen una asimetría en la información llamada «deriva representacional».

En un artículo de opinión a principios de este año, los científicos también plantearon la hipótesis de que, además de las neuronas, los campos eléctricos afectan la infraestructura molecular del cerebro y la sintonizan para que el cerebro procese la información de manera eficiente.

En el nuevo estudio, Benoutsis y Miller ampliaron la investigación para preguntar si el acoplamiento adhesivo propaga el campo eléctrico dominante a través de múltiples regiones del cerebro para formar una red de memoria o «engrama».

Entonces ampliaron sus análisis para observar dos regiones del cerebro: los campos oculares anteriores (FEF) y los campos oculares suplementarios (SEF).

Estas dos regiones, que gobiernan el movimiento voluntario de los ojos, eran relevantes para el juego de memoria de trabajo que los animales estaban jugando porque en cada ronda, los animales veían una imagen en una pantalla colocada en un cierto ángulo alrededor del centro (como los números en un reloj).

Después de un breve retraso, debían mirar en la misma dirección en la que estaba el objeto.

Mientras los animales jugaban, los científicos registraron los potenciales de campo locales (LFP, una medida de la actividad eléctrica local) producidos por docenas de neuronas en cada área. Los científicos introdujeron estos datos LFP registrados en modelos matemáticos que predijeron la actividad neuronal individual y los campos eléctricos en general.

Los modelos permitieron a Pinotsis y Miller calcular si los cambios en los campos predijeron cambios en el potencial de membrana, o si los cambios en esta actividad predijeron cambios en los campos.

Para hacer este análisis, utilizaron un método matemático llamado causalidad de Granger. Este análisis mostró inequívocamente que, en cada región, los dominios tenían un fuerte efecto causal sobre la actividad neuronal y no al revés.

De acuerdo con el estudio del año pasado, el análisis también mostró que las medidas de fuerza de impacto se mantuvieron más estables para los campos que para la actividad neuronal, lo que sugiere que los campos eran más confiables.

Luego, los investigadores examinaron la relación causal entre las dos regiones del cerebro y descubrieron que los campos eléctricos, en lugar de la actividad neuronal, explicaban de manera confiable la transmisión de información entre el FEF y el SEF.

Más específicamente, encontraron que el transporte normalmente fluye de FEF a SEF, lo cual es consistente con estudios previos sobre cómo interactúan las dos regiones. FEF tiende a liderar el camino en la iniciación del movimiento ocular.

Finalmente, Pinotsis y Miller usaron otra técnica matemática llamada análisis de similitud representacional para determinar si las dos regiones estaban, de hecho, procesando la misma memoria. Descubrieron que los campos eléctricos, no la actividad neuronal de las LFP, representaban la misma información en las dos regiones, uniéndolas en una red de memoria de engramas.

Más implicaciones clínicas

Dada la evidencia de que los campos eléctricos surgen de la actividad eléctrica neuronal pero luego impulsan la actividad neuronal para representar información, Miller especuló que quizás una función de la actividad eléctrica en las neuronas individuales es producir los campos que luego las gobiernan.

«Es una calle de doble sentido», dijo Miller. «Las elevaciones y las celosías son muy importantes. Esa es la base. Pero luego los campos dan la vuelta y afectan la elevación».

Eso podría tener implicaciones importantes para los tratamientos de salud mental, dijo, porque si las neuronas se disparan afecta la fuerza de sus conexiones y, por lo tanto, la función de los circuitos que las forman, un fenómeno llamado plasticidad sináptica.

Miller anotó que las técnicas clínicas como la estimulación eléctrica transcraneal (TES) alteran los campos eléctricos del cerebro. Si los campos eléctricos no solo reflejan la actividad neuronal, sino que la modulan de manera efectiva, las técnicas TES se pueden usar para alterar los circuitos. Las manipulaciones de campo eléctrico diseñadas correctamente, dijo, algún día podrían ayudar a los pacientes a reconectar los circuitos defectuosos.

Fondos: El financiamiento para el estudio provino de Investigación e Innovación del Reino Unido, la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., la Fundación JPB y el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria.

Sobre esta investigación en Neuroscience News

autor: David Orenstein
fuente: Instituto Piccoer para el Aprendizaje y la Memoria
comunicación: David Orenstein – Instituto Picquer para el Aprendizaje y la Memoria
imagen: Imagen acreditada a Neuroscience News

Búsqueda original: acceso abierto.
«El acoplamiento efáptico in vivo permite la formación de redes de memoriaPor Earl K. Miller et al. corteza cerebral

un resumen

El acoplamiento efáptico in vivo permite la formación de redes de memoria

Cada vez está más claro que los recuerdos se distribuyen en múltiples regiones del cerebro. Los complejos de engramas son características importantes de la formación y consolidación de la memoria.

Aquí, probamos la hipótesis de que los complejos de engramas están formados en parte por campos bioeléctricos que esculpen y dirigen la actividad neuronal y unen regiones que participan en complejos de engramas. Como el director de una orquesta, los campos influyen en cada músico o neurona y regulan la salida, la sinfonía.

Nuestros resultados utilizan la teoría de la sinergia, el aprendizaje automático y los datos de la tarea sacádica de retraso espacial y proporcionan evidencia del acoplamiento in vivo en las representaciones de la memoria.