Al igual que la materia condensada puede estar ordenada (por ejemplo, el hielo) o desordenada (por ejemplo, el vapor de agua), la actividad colectiva de las redes de neuronas también puede experimentar transiciones de fase entre orden y desorden. Estas transiciones de fase están separadas por puntos críticos donde orden y desorden conviven. La mezcla de orden y desorden hace que el repertorio de patrones de actividad neuronal sea máximo y produzca patrones dinámicos emergentes en todas las escalas espaciales y temporales. Por esta y otras razones, estudios previos han sugerido que la criticalidad optimiza diversas funciones cerebrales. Los autores de un nuevo estudio, publicado el 15 de noviembre en la revista Neuron, han observado la dinámica in vivo del cerebro entero en larvas de pez cebra con resolución celular.

Una investigación que ha llevado a cabo un equipo internacional y multidisciplinario de investigadores, del cual Adrian Ponce-Álvarez, miembro del Grupo de Investigación en Neurociencia Computacional, es el primer autor, con participación de Gustavo Deco, ICREA del Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (DTIC) y director del Centro de Cognición y Cerebro, en colaboración con investigadores del Instituto de Biología de la Escuela Normal de Paris (IBENS).

El primer estudio en investigar la criticalidad en un sistema nervioso intacto, in vivo, en las tres dimensiones del espacio y con resolución celular

Este estudio es el primero en investigar la criticalidad en un sistema nervioso intacto, in vivo, en las tres dimensiones del espacio y con resolución celular. Además, los autores advierten que no se ha estudiado en profundidad cómo el entorno afecta este estado crítico, ni tampoco cuáles son los mecanismos que hacen que la conectividad funcional lleve hacia este punto crítico.

La actividad neuronal registrada mediante la técnica de microscopía de fluorescencia con planos de luz ha sido analizada por los neurocientíficos teóricos de la Universidad Pompeu Fabra, utilizando herramientas y conceptos de la Física Estadística

Para observar la dinámica in vivo del cerebro entero, los investigadores del Instituto de Biología de la Escuela Normal de Paris (IBENS) han empleado una de las técnicas microscópicas más nuevas y prometedoras existentes en la actualidad en los campos de la biología celular, la biología del desarrollo y la de sistemas: la microscopía de fluorescencia con planos de luz (light-sheet microscopy). Con esta técnica es posible observar la actividad celular de centenares de miles de neuronas en larvas de peces transgénicos que expresan una molécula fluorescente indicadora de las fluctuaciones de calcio (indicadoras a su vez de actividad celular). La actividad neuronal registrada de esta manera ha sido analizada por los neurocientíficos teóricos de la UPF, usando herramientas y conceptos de la Física Estadística.

Con esta nueva técnica "observamos que la actividad espontánea del cerebro se propaga en el espacio tridimensional generando eventos colectivos en cascada, o avalanchas neuronales, que muestran invariancia de escala, es decir que la estadística de las avalanchas es similar a diferentes escalas de magnitud, de tiempo y de frecuencia", afirma Adrián Ponce-Álvarez, primer autor del artículo.

“Además, hemos encontrado que al perturbar farmacológicamente el acoplamiento entre neuronas el sistema nervioso se aleja de la criticalidad y su capacidad para transmitir información disminuye"

Los autores observaron avalanchas neuronales que se propagaban en el cerebro durante los períodos de actividad espontánea e inducida visualmente. Analizaron las estadísticas espacio-temporales de los aludes neuronales y compararon estas estadísticas en diversas situaciones: durante la actividad espontánea, durante la presentación de estímulos visuales, durante los comportamientos motores autogenerados y durante ligeras perturbaciones farmacológicas. "Nuestros resultados sugieren que la dinámica espontanea de todo el cerebro fluctúa cerca del punto crítico de una transición de fase, pero, cuando el sistema interactúa con su entorno (a través de estímulos sensoriales o movimientos autogenerados), la dinámica puede alejarse del punto crítico. Además, hemos encontrado que al perturbar farmacológicamente el acoplamiento entre neuronas el sistema nervioso se aleja de la criticalidad y su capacidad para transmitir información disminuye", comenta Ponce-Álvarez.

En conclusión, los autores han demostrado a partir de un modelo in vivo y a nivel celular que el sistema nervioso central se mantiene espontáneamente en un estado crítico con invariancia de escala. Sin embargo, en su interacción con el entorno (entradas sensoriales y estímulos autogenerados), el cerebro se desplaza hacia un régimen más ordenado, con menor diversidad de patrones de actividad, quizás para acotar las posibles representaciones sensoriales y motoras y así seleccionar la más apropiada.

Artículo de referencia:

Adrián Ponce-Álvarez, Adrien Joaury, Martin Privado, Gustavo Deco, German Sumba (2018), "Whole-Brain Neuronal Activity Displays Crackling Noise Dynamics", Neuron, 15 de noviembre,  DOI: 10.1016/j.neuron.2018.10.045.