Cuando soñamos despiertos o volvemos a visitar los recuerdos, un gran grupo de regiones dentro de nuestro cerebro se « iluminan » o se vuelven más activas. Se conoce como Red de modo predeterminado (DMN) porque es más activa cuando el cerebro no está enfocado en el mundo exterior.

Numerosos trastornos cerebrales, incluidos el Alzheimer, el trastorno por déficit de atención/hiperactividad y los trastornos del estado de ánimo, se han relacionado con problemas con la DMN. Sin embargo, la base neurofisiológica de la DMN no se comprende bien.

Las técnicas de neuroimagen, como la resonancia magnética funcional (fMRI), no pueden medir directamente la actividad neuronal. Para abordar esta brecha de conocimiento, un equipo de investigación dirigido por Ian Shih, PhD, profesor y vicepresidente del Departamento de Neurología y director asociado del Centro de Imágenes de Investigación Biomédica, ha creado una plataforma experimental novedosa que puede registrar ópticamente la actividad neuronal local. durante resonancia magnética funcional de todo el cerebro en roedores.

« Esperamos que este trabajo allane el camino para futuros estudios traslacionales destinados a controlar redes cerebrales a gran escala », dijo Shih. « Esto podría ayudar a diseñar regímenes de tratamiento basados ​​en redes para muchos trastornos neurológicos y neuropsiquiátricos ».

El estudio, que se publicó en la revista Science Advances, examinó la actividad dinámica de las regiones cerebrales relacionadas con la DMN y las analizó con una variedad de enfoques computacionales.

La DMN es una de las redes cerebrales a gran escala de nuestro cerebro. Cuando aprendemos por primera vez sobre el cerebro, se nos enseña que cada parte del cerebro tiene una función distinta. Pero la realidad es que muchas áreas del cerebro se activan y desactivan juntas durante el comportamiento y la cognición, y forman redes cerebrales a gran escala, como un equipo.

Los neurocientíficos están cada vez más interesados ​​en estas redes a gran escala a medida que aprenden que ciertas tareas cognitivas dependen de regiones cerebrales « funcionalmente conectadas ». Cuando una persona está despierta y en reposo, como cuando está soñando despierta, recuperando recuerdos o visualizando el futuro, la DMN está activa.

Sin embargo, es un desafío obtener los datos neuronales necesarios para comprender la actividad dinámica de DMN en sujetos humanos, por lo que Shih y su equipo recurrieron a un modelo animal para estudiar la red, en el que se identificaron regiones cerebrales putativas relacionadas con DMN.

« Utilizamos un modelo de roedor, donde los sensores de calcio codificados genéticamente se expresaron en las neuronas », dijo el primer autor Tzu-Hao Harry Chao, PhD, quien construyó y validó esta plataforma experimental en el laboratorio de Shih. « Esto nos permitió registrar la actividad neuronal en múltiples regiones cerebrales relacionadas con DMN mediante la detección de cambios en la fluorescencia a través de fibras ópticas sin interferir con la medición de las señales de fMRI ».

La fotometría de fibra utiliza fibra óptica para entregar ciertas longitudes de onda de luz para excitar las proteínas fluorescentes que responden a esa longitud de onda y registrar la emisión de luz dependiente de la actividad. A través de este proceso, los científicos pueden medir directamente la actividad de una población específica de células o neuroquímicos dentro de una ubicación específica del cerebro.

Usando esta novedosa plataforma experimental, Chao y sus colegas demostraron que la activación de un área del cerebro, la corteza insular anterior, está asociada con la supresión o « apagado » de la red de modo predeterminado.

En el cerebro humano, la corteza insular se encuentra en la corteza y está « aislada » por los lóbulos frontal, parietal y temporal. La ínsula es responsable de varias funciones importantes en el cerebro, incluido el procesamiento de nuestros cinco sentidos, el control de la coordinación mano-ojo y la autoconciencia. La ínsula también juega un papel fundamental en los comportamientos sociales y relacionados con la adicción.

« Esta es una evidencia neuronal importante que destaca el papel de la corteza insular anterior en el control de la actividad de la DMN », explicó Shih.

En colaboración con Vinod Menon, PhD, otro autor principal y profesor del Departamento de Psiquiatría y Ciencias del Comportamiento de la Universidad de Stanford, el equipo de investigación utilizó además enfoques computacionales avanzados para identificar los estados cerebrales y el flujo de información durante estas condiciones.

El equipo también descubrió que el área prelímbica de la corteza de roedores alterna su sincronización con la DMN y la corteza insular anterior, lo que sugiere que la corteza prelímbica en el cerebro de roedores también podría desempeñar un papel en la red de prominencia, otra red cerebral a gran escala. importante para la atención, el procesamiento sensorial y el comportamiento dirigido a un objetivo.

Los autores construyeron el sistema de fotometría de fibra espectral multicanal utilizando la asignación de equipos de infraestructura de investigación otorgada al Departamento de Neurología en 2018-19. Los autores adicionales del trabajo incluyen a Li-Ming Hsu (co-primer autor), Domenic Hayden Cerri, Wei-Ting Zhang y Tzu-Wen Wang de UNC-Chapel Hill; Byeongwook Lee (co-primer autor) y Srikanth Ryali de la Universidad de Stanford.

Esta investigación fue financiada principalmente por el Instituto Nacional de Salud Mental (R01MH126518). Shih también es miembro del Centro Bowles de Estudios sobre el Alcohol de la UNC, el Centro de Investigación de Discapacidades Intelectuales y del Desarrollo de la UNC, el Instituto del Corazón McAllister de la UNC y el Departamento Conjunto de Ingeniería Biomédica de la UNC-NCSU.

Las técnicas utilizadas en este trabajo están a disposición de otros investigadores.