Nueva teoría de la formación de sinapsis en el cerebro.
Reorganización en la corteza visual: antes (izquierda) y justo después del daño en la retina (centro), y en una fase posterior (derecha). La mayoría de las neuronas en la zona donde se proyectan las imágenes desde la retina dañada pueden lograr su original ...más,
El cerebro humano sigue cambiando a lo largo de la vida de una persona. Continuamente se crean nuevas conexiones mientras que las sinapsis que ya no se utilizan se degeneran. Hasta la fecha, se sabe poco sobre los mecanismos detrás de estos procesos. El neuroinformático de Jülich, el Dr. Markus Butz, ahora ha podido atribuir la formación de nuevas redes neuronales en la corteza visual a una regla homeostática simple que también es la base de muchos otros procesos de autorregulación en la naturaleza. Con esta explicación, él y su colega, el Dr. Arjen van Ooyen de Amsterdam, también proporcionan una nueva teoría sobre la plasticidad del cerebro y un enfoque novedoso para comprender los procesos de aprendizaje y tratar las lesiones y enfermedades cerebrales.
Los cerebros de los humanos adultos no son de ningún modo cableados. Los científicos han establecido repetidamente este hecho en los últimos años utilizando diferentes técnicas de imagen. Esta llamada neuroplasticidad no solo desempeña un papel clave en los procesos de aprendizaje, sino que también permite que el cerebro se recupere de las lesiones y compense la pérdida de funciones. Los investigadores descubrieron recientemente que incluso en el cerebro adulto, las sinapsis existentes no solo se adaptan a las nuevas circunstancias, sino que las nuevas conexiones se forman y reorganizan constantemente. Sin embargo, aún no se sabía cómo se controlan estos procesos de reorganización natural en el cerebro. En la revista de acceso abierto. Biología computacional PLOSAhora, Butz y van Ooyen presentan una regla simple que explica cómo se forman estas nuevas redes de neuronas.
“Es muy probable que la plasticidad estructural del cerebro sea la base para la formación de la memoria a largo plazo”, dice Markus Butz, quien ha estado trabajando en el Laboratorio de Neurociencia de Simulación recientemente establecido en el Centro de Supercomputación de Jülich durante los últimos meses. “Y no se trata solo de aprender. Tras la amputación de extremidades, lesiones cerebrales, la aparición de enfermedades neurodegenerativas y accidentes cerebrovasculares, se forman un gran número de nuevas sinapsis para adaptar el cerebro a los cambios duraderos en los patrones de los estímulos entrantes ".
La actividad regula la formación de sinapsis.
Estos resultados muestran que la formación de nuevas sinapsis está impulsada por la tendencia de las neuronas a mantener un nivel de actividad eléctrica "preestablecido". Si la actividad eléctrica promedio cae por debajo de cierto umbral, las neuronas comienzan a construir activamente nuevos puntos de contacto. Éstas son la base para nuevas sinapsis que brindan información adicional: aumenta la tasa de activación de las neuronas. Esto también funciona al revés: tan pronto como el nivel de actividad excede un límite superior, el número de conexiones sinápticas se reduce para evitar cualquier sobreexcitación: la tasa de activación de las neuronas disminuye. Formas similares de homeostasis ocurren con frecuencia en la naturaleza, por ejemplo, en la regulación de la temperatura corporal y los niveles de azúcar en sangre.
Sin embargo, Markus Butz subraya que esto no funciona sin una cierta excitación mínima de las neuronas: “Una neurona que ya no recibe ningún estímulo pierde aún más sinapsis y morirá después de un tiempo. Debemos tener en cuenta esta restricción si queremos que los resultados de nuestras simulaciones concuerden con las observaciones ”. Utilizando el corteza visual como ejemplo, los neurocientíficos han estudiado los principios según los cuales las neuronas forman nuevas conexiones y abandonan las sinapsis existentes. En esta región del cerebro, alrededor del 10% de la sinapsis Se regeneran continuamente. Cuando la retina se daña, este porcentaje aumenta aún más. Usando simulaciones por computadora, los autores lograron reconstruir la reorganización de las neuronas de una manera que se ajusta a los resultados experimentales de la corteza visual de ratones y monos con retinas dañadas.
La corteza visual es particularmente adecuada para demostrar la nueva regla de crecimiento, porque tiene una propiedad conocida como retinotopía: esto significa que los puntos proyectados uno al lado del otro en la retina también están dispuestos uno al lado del otro cuando se proyectan en la corteza visual, simplemente como en un mapa. Si algunas áreas de la retina están dañadas, las células sobre las que se proyectan las imágenes asociadas reciben diferentes entradas. "En nuestras simulaciones, puede ver que las áreas que ya no reciben ninguna entrada de la retina comienzan a construir enlaces cruzados, lo que les permite recibir más señales de sus células vecinas", dice Markus Butz. Estos enlaces cruzados se forman lentamente desde el borde del área dañada hacia el centro, en un proceso que se asemeja a la cicatrización de una herida, hasta que el nivel de actividad original se recupera más o menos.
Plasticidad sináptica y estructural.
"La nueva regla de crecimiento proporciona plasticidad estructural con un principio que es casi tan simple como el de la plasticidad sináptica", dice el coautor Arjen van Ooyen, quien ha estado trabajando en modelos para el desarrollo de redes neuronales durante décadas. Ya en 1949, el profesor de psicología Donald Olding Hebb descubrió que las conexiones entre neuronas Los que se activan frecuentemente se harán más fuertes. Los que intercambian poca información se debilitarán. Hoy en día, muchos científicos creen que este principio de Hebbian juega un papel central en los procesos de aprendizaje y memoria. Mientras plasticidad sinaptica Involucrados principalmente en procesos a corto plazo que duran desde unos pocos milisegundos hasta varias horas, la plasticidad estructural se extiende en escalas de tiempo más largas, desde varios días hasta meses.
Por lo tanto, la plasticidad estructural juega un papel particularmente importante durante la fase (temprana) de rehabilitación de los pacientes afectados por enfermedades neurológicas, que también dura semanas y meses. La visión que impulsa el proyecto es que las ideas valiosas para el tratamiento de pacientes con accidente cerebrovascular podrían resultar de predicciones precisas de la formación de sinapsis. Si los médicos supieran cómo la estructura cerebral de un paciente cambiará y se reorganizará durante el tratamiento, podrían determinar los momentos ideales para las fases de estimulación y descanso, mejorando así la eficiencia del tratamiento.
Nuevo enfoque para numerosas aplicaciones.
“Anteriormente se suponía que la plasticidad estructural también sigue el principio de la plasticidad hebbiana. Los hallazgos sugieren que la plasticidad estructural se rige por el principio homeostático, que antes no se tenía en cuenta ”, dice la profesora Abigail Morrison, directora del Laboratorio de Simulación de Neurociencia en Jülich. Su equipo ya está integrando la nueva regla en el software de simulación de libre acceso NEST, que utilizan numerosos científicos de todo el mundo.
Estos hallazgos también son relevantes para el Proyecto Cerebro Humano. Los neurocientíficos, científicos médicos, informáticos, físicos y matemáticos de Europa están trabajando mano a mano para simular todo el cerebro humano en computadoras de alto rendimiento de la próxima generación con el fin de comprender mejor cómo funciona. "Debido a los complejos circuitos sinápticos en el ser humano cerebro, no es plausible que su tolerancia a fallas y flexibilidad se logre en base a reglas de conexión estáticas. Por lo tanto, se requieren modelos para un proceso de autoorganización ”, dice el profesor Markus Diesmann del Instituto de Neurociencia y Medicina de Jülich, que participa en el proyecto. Dirige Neurociencia Computacional y de Sistemas (INM-6), un sustituto que trabaja en la interfaz entre la investigación neurocientífica y la tecnología de simulación.
Más información: Una regla simple para la espina dendrítica y la formación de boutones axonales puede explicar la reorganización cortical después de las lesiones retinales focales, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (publicado en línea 10 octubre 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
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