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 pensamientos. Pero la metáfora también está incompleta. ¿Qué impulsa a estos circuitos y redes a unirse? Nueva evidencia sugiere que al menos parte de esta coordinación proviene de campos eléctricos.

El nuevo estudio en Cerebral Cortex muestra que mientras los animales jugaban juegos de memoria de trabajo, la información sobre lo que estaban recordando se coordinó en dos regiones clave del cerebro por el campo eléctrico que surgió de la actividad eléctrica subyacente de todas las neuronas participantes. El campo, a su vez, parecía impulsar la actividad neuronal, o las fluctuaciones de voltaje aparentes a través de las membranas de las células.

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

El mecanismo físico por el cual este campo eléctrico predominante influye en el voltaje de la membrana de las neuronas constituyentes se denomina « acoplamiento efáptico ». Esos voltajes de membrana son fundamentales para la actividad cerebral. Cuando cruzan un umbral, las neuronas « se disparan », enviando una transmisión eléctrica que envía señales a otras neuronas a través de conexiones llamadas sinapsis. Pero cualquier cantidad de actividad eléctrica podría contribuir a un campo eléctrico prevaleciente que también influye en los picos, dijo el autor principal del estudio, Earl K. Miller, profesor de Picower en el Departamento de Ciencias Cognitivas y Cerebrales del MIT.

« Muchas neuronas corticales pasan mucho tiempo vacilando a punto de dispararse », dijo Miller. « Los cambios en el campo eléctrico que los rodea pueden empujarlos de una forma u otra. Es difícil imaginar que la evolución no aproveche eso ».

En particular, el nuevo estudio mostró que los campos eléctricos impulsaron 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 Pinotsis, profesor asociado de la City – Universidad de Londres y investigador afiliado en el Instituto Picower. Señaló que los hallazgos podrían mejorar la capacidad de los científicos e ingenieros para leer información del cerebro, lo que podría ayudar en el diseño de prótesis controladas por el cerebro para personas con parálisis.

« Usando la teoría de sistemas complejos y cálculos matemáticos con lápiz y papel, predijimos que los campos eléctricos del cerebro guían a las neuronas para producir recuerdos », dijo Pinotsis. « Nuestros datos experimentales y análisis estadísticos respaldan esta predicción. Este es un ejemplo de cómo las matemáticas y la física arrojan luz sobre los campos del cerebro y cómo pueden brindar información para construir dispositivos de interfaz cerebro-computadora (BCI) ».

Los campos prevalecen

En un estudio de 2022, Miller y Pinotsis desarrollaron un modelo biofísico de los campos eléctricos producidos por la actividad eléctrica neuronal. Demostraron que los campos generales que surgieron 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 cuyos caprichos producen una inconsistencia de información llamada « deriva representacional ». En un artículo de opinión a principios de este año, los científicos también postularon que, además de las neuronas, los campos eléctricos afectan la infraestructura molecular del cerebro y su ajuste para que el cerebro procese la información de manera eficiente.

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

Por lo tanto, ampliaron sus análisis para observar dos regiones del cerebro: los campos oculares frontales (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 algún ángulo alrededor del centro (como los números en un reloj). ). Después de un breve retraso, tuvieron que mirar en la misma dirección en la que acababa de estar el objeto.

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

Los modelos permitieron a Pinotsis y Miller calcular si los cambios en los campos predijeron cambios en los voltajes de la membrana, o si los cambios en esa actividad predijeron cambios en los campos. Para hacer este análisis, utilizaron un método matemático llamado Causalidad de Granger. Sin ambigüedades, este análisis mostró que en cada región, los campos tenían una fuerte influencia 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 la fuerza de la influencia se mantuvieron mucho más estables para los campos que para la actividad neuronal, lo que indica que los campos eran más confiables.

Luego, los investigadores verificaron la causalidad entre las dos regiones del cerebro y encontraron que los campos eléctricos, pero no la actividad neuronal, representaban de manera confiable la transferencia de información entre FEF y SEF. Más específicamente, encontraron que la transferencia generalmente fluía de FEF a SEF, lo que concuerda con estudios previos sobre cómo interactúan las dos regiones. FEF tiende a liderar el camino para iniciar un movimiento ocular.

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

Más implicaciones clínicas

Teniendo en cuenta la evidencia de que los campos eléctricos emergen de la actividad eléctrica neuronal pero luego impulsan la actividad neuronal para representar información, Miller especuló que tal vez 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. « Los picos y las sinapsis son muy importantes. Esa es la base. Pero luego los campos dan la vuelta e influyen en los picos ».

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

Las tecnologías clínicas como la estimulación eléctrica transcraneal (TES) alteran los campos eléctricos del cerebro, anotó Miller. Si los campos eléctricos no solo reflejan la actividad neuronal, sino que también la moldean activamente, entonces las tecnologías TES podrían usarse para alterar los circuitos. Las manipulaciones del campo eléctrico diseñadas correctamente, dijo, algún día podrían ayudar a los pacientes a volver a cablear los circuitos defectuosos.

La financiación 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.