Por primera vez, neurocientíficos de Charité, Universitätsmedizin Berlin y el Instituto Max Planck de Inteligencia Biológica (actualmente en proceso de creación) han revelado las conexiones precisas entre las neuronas sensoriales dentro de la retina y el colículo superior, una estructura en el mesencéfalo.. Las sondas de neuropíxeles son un desarrollo relativamente reciente y representan la próxima generación de electrodos. Densamente repletas de puntos de registro, las sondas Neuropixels se utilizan para registrar la actividad de las células nerviosas y han facilitado estos conocimientos recientes sobre los circuitos neuronales. Escribiendo en Nature Communications, los investigadores describen un principio fundamental que es común a los sistemas visuales de los mamíferos y las aves.

Dos estructuras cerebrales son cruciales para el procesamiento de estímulos visuales: la corteza visual en la corteza cerebral primaria y el colículo superior, una estructura en el mesencéfalo. La visión y el procesamiento de la información visual implican procesos muy complejos. En términos simplificados, la corteza visual es responsable de la percepción visual general, mientras que las estructuras del mesencéfalo evolutivamente más antiguo son responsables de las conductas reflejas guiadas visualmente. Los mecanismos y principios involucrados en el procesamiento visual dentro de la corteza visual son bien conocidos. El trabajo realizado por un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Jens Kremkow ha contribuido a nuestro conocimiento en este campo y, en 2017, culminó con el establecimiento de un Emmy Noether Junior Research Group en el Centro de Investigación en Neurociencia de Charité (NWFZ). El objetivo principal del Grupo de Investigación, que está financiado por la Fundación de Investigación de Alemania (DFG), es mejorar aún más nuestra comprensión de las células nerviosas involucradas en el sistema visual. Quedan muchas preguntas sin respuesta, incluidos los detalles de la forma en que se procesa la información visual en los colículos superiores del mesencéfalo.

Las células ganglionares de la retina, células sensoriales que se encuentran dentro de la retina del ojo, responden a estímulos visuales externos y envían la información recibida al cerebro. Las vías de señalización directa aseguran que la información visual recibida por las células nerviosas de la retina también llegue al mesencéfalo. «Lo que se desconocía en gran medida hasta ahora es la forma en que las células nerviosas de la retina y las células nerviosas del mesencéfalo están vinculadas a un nivel funcional. La escasez de conocimientos sobre la forma en que las neuronas del colículo superior procesan las entradas sinápticas era similar. pronunciado», dice el líder del estudio, el Dr. Kremkow. «Esta información es crucial para comprender los mecanismos involucrados en el procesamiento del cerebro medio». Hasta ahora, había sido imposible medir la actividad de las neuronas retinianas y del mesencéfalo conectadas sinápticamente en organismos vivos. Para su investigación más reciente, el equipo de investigación desarrolló un método basado en mediciones obtenidas con electrodos innovadores de alta densidad conocidos como sondas Neuropixels. Precisamente hablando, las sondas Neuropixels son pequeños conjuntos de electrodos lineales que presentan aproximadamente mil sitios de registro a lo largo de un vástago estrecho. Compuestos por 384 electrodos para el registro simultáneo de la actividad eléctrica de las neuronas en el cerebro, estos dispositivos han cambiado las reglas del juego dentro del campo de la neurociencia.

Los investigadores que trabajan en Charité y el Instituto Max Planck para la Inteligencia Biológica ahora han utilizado esta nueva tecnología para determinar las estructuras relevantes del cerebro medio en ratones (colículo superior) y pájaros (tectum óptico). Ambas estructuras cerebrales tienen un origen evolutivo común y juegan un papel importante en el procesamiento visual de las señales de entrada de la retina en ambos grupos de animales. Su trabajo llevó a los investigadores a un descubrimiento sorprendente : «Por lo general, este tipo de registro electrofisiológico mide las señales eléctricas de los potenciales de acción que se originan en el soma, el cuerpo celular de la neurona», explica el Dr. Kremkow. «En nuestras grabaciones, sin embargo, notamos señales cuya apariencia difería de la de los potenciales de acción normales. Continuamos investigando la causa de este fenómeno y descubrimos que las señales de entrada en el mesencéfalo fueron causadas por potenciales de acción propagados dentro de los ejes axonales». «(ramas) de las células ganglionares de la retina. Nuestros hallazgos sugieren que la nueva tecnología de matriz de electrones se puede utilizar para registrar las señales eléctricas que emanan de los axones, las proyecciones de las células nerviosas que transmiten señales neuronales. Este es un hallazgo completamente nuevo». Por primera vez a nivel mundial, el equipo del Dr. Kremkow pudo capturar simultáneamente la actividad de las células nerviosas en la retina y sus neuronas diana conectadas sinápticamente en el mesencéfalo.

Hasta ahora, el cableado funcional entre el ojo y el mesencéfalo seguía siendo una incógnita. Los investigadores pudieron demostrar a nivel de una sola célula que la organización espacial de las entradas de las células ganglionares de la retina en el mesencéfalo constituye una representación muy precisa de la entrada de la retina original. «Las estructuras del mesencéfalo proporcionan efectivamente una copia casi uno a uno de la estructura de la retina», dice el Dr. Kremkow. Continúa : «Otro hallazgo nuevo para nosotros fue que las neuronas en el mesencéfalo reciben una entrada sináptica muy fuerte y específica de las células ganglionares de la retina, pero solo de un pequeño número de estas neuronas sensoriales. Estas vías neuronales permiten una conexión muy estructurada y funcional. entre la retina del ojo y las regiones correspondientes del mesencéfalo». Entre otras cosas, esta nueva perspectiva mejorará nuestra comprensión del fenómeno conocido como vista ciega, que se puede observar en personas que han sufrido daños en la corteza visual debido a un traumatismo o un tumor. Incapaces de percepción consciente, estos individuos conservan una capacidad residual para procesar información visual, lo que da como resultado una percepción intuitiva de estímulos, contornos, movimiento e incluso colores que parece estar vinculado al mesencéfalo.

Para probar si los principios observados inicialmente en el modelo de ratón también podrían aplicarse a otros vertebrados y, por lo tanto, si podrían ser de naturaleza más general, el Dr. Kremkow y su equipo trabajaron junto con un equipo del Instituto Max Planck de Inteligencia Biológica, donde un grupo de investigación de Lise Meitner dirigido por el Dr. Daniele Vallentin se centra en los circuitos neuronales responsables de la coordinación de movimientos precisos en las aves. «Usando los mismos tipos de medidas, pudimos demostrar que, en los pinzones cebra, la organización espacial de las vías nerviosas que conectan la retina y el mesencéfalo siguen un principio similar», dice el Dr. Vallentin. Ella agrega : «Este hallazgo fue sorprendente, dado que las aves tienen una agudeza visual significativamente mayor y la distancia evolutiva entre las aves y los mamíferos es considerable». Las observaciones de los investigadores sugieren que las células ganglionares de la retina tanto en el techo óptico como en el colículo superior muestran una organización espacial y un cableado funcional similares. Sus hallazgos llevaron a los investigadores a concluir que los principios descubiertos deben ser cruciales para el procesamiento visual en el cerebro medio de los mamíferos. Estos principios pueden incluso ser de naturaleza general, aplicándose a todos los cerebros de vertebrados, incluidos los humanos.

Con respecto a los planes futuros de los investigadores, el Dr. Kremkow dice : «Ahora que entendemos las conexiones funcionales, similares a mosaicos, entre las células ganglionares de la retina y las neuronas dentro de los colículos superiores, exploraremos más a fondo la forma en que las señales sensoriales se procesan en la visión. sistema, específicamente en las regiones del mesencéfalo, y cómo contribuyen al comportamiento reflexivo guiado visualmente». El equipo también quiere establecer si el nuevo método podría usarse en otras estructuras y si podría usarse para medir la actividad axonal en otras partes del cerebro. Si esto fuera posible, abriría una gran cantidad de nuevas oportunidades para explorar los mecanismos subyacentes del cerebro.