Vés enrere

La dinàmica espontània del cervell del peix zebra és a prop d'un punt crític

La dinàmica espontània del cervell del peix zebra és a prop d'un punt crític

Ho afirma un estudi publicat el 15 de novembre a la revista Neuron per un equip internacional i multidisciplinari d'investigadors. Adrian Ponce-Álvarez, membre del Grup de Recerca en Neurociència Computacional, és el primer autor, i també hi ha participat Gustavo Deco, ICREA del DTIC i director del Centre de Cognició i Cervell, en col·laboració amb investigadors de l'Institut de Biologia de l'Escola Normal de Paris (IBENS).

20.11.2018

Igual que la matèria condensada pot estar ordenada (per exemple, el gel) o desordenada (per exemple, el vapor d'aigua), l'activitat col·lectiva de les xarxes de neurones també pot experimentar transicions de fase entre ordre i desordre. Aquestes transicions de fase estan separades per punts crítics en els quals ordre i desordre conviuen. La barreja d'ordre i desordre fa que el repertori de patrons d'activitat neuronal sigui màxim i produeixi patrons dinàmics emergents en totes les escales espacials i temporals. Per aquesta i altres raons, estudis previs han suggerit que la criticalitat optimitza diverses funcions cerebrals.

Els autors d’un nou estudi publicat el 15 de novembre a la revista Neuron han observat la dinàmica in vivo del cervell sencer en larves de peix zebra amb resolució cel·lular. Una recerca duta a terme per un equip internacional i multidisciplinari d'investigadors, del qual Adrian Ponce-Álvarez, membre del Grup de Recerca en Neurociència Computacional, és el primer autor, amb participació de Gustavo Deco, ICREA del Departament de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (DTIC) i director del Centre de Cognició i Cervell, en col·laboració amb investigadors de l'Institut de Biologia de l'Escola Normal de Paris (IBENS).

El primer estudi a investigar la criticalitat en un sistema nerviós intacte, in vivo, en les tres dimensions de l'espai i amb resolució cel·lular

Aquest estudi és el primer a investigar la criticalitat en un sistema nerviós intacte, in vivo, en les tres dimensions de l'espai i amb resolució cel·lular. A més, els autors adverteixen que no s'ha estudiat en profunditat com l'entorn afecta aquest estat crític, ni tampoc quins són els mecanismes que fan que la connectivitat funcional porti cap a aquest punt crític.

L'activitat neuronal registrada mitjançant la tècnica de microscòpia de fluorescència amb plànols de llum ha estat analitzada pels neurocientífics teòrics de la Universitat Pompeu Fabra, emprant eines i conceptes de la Física Estadística

Per observar la dinàmica in vivo del cervell sencer, els investigadors de l'Institut de Biologia de l'Escola Normal de Paris (IBENS) han emprat una de les tècniques microscòpiques més noves i prometedores existents a l'actualitat en els camps de la biologia cel·lular, la biologia del desenvolupament i la de sistemes: la microscòpia de fluorescència amb plànols de llum (light-sheet microscopy). Amb aquesta tècnica és possible observar l'activitat cel·lular de centenars de milers de neurones en larves de peixos transgènics que expressen una molècula fluorescent indicadora de les fluctuacions de calci (indicadores al seu torn d'activitat cel·lular). L'activitat neuronal registrada d'aquesta manera ha estat analitzada pels neurocientífics teòrics de la Universitat Pompeu Fabra, emprant eines i conceptes de la Física Estadística.

“Les allaus neuronals mostren invariància d'escala, és a dir que l'estadística de les allaus és similar a diferents escales de magnitud, de temps i de freqüència”

Amb aquesta nova tècnica "observem que l'activitat espontània del cervell es propaga en l'espai tridimensional generant esdeveniments col·lectius en cascada, o allaus neuronals, que mostren invariància d'escala, és a dir que l'estadística de les allaus és similar a diferents escales de magnitud, de temps i de freqüència ", afirma Adrián Ponce-Álvarez, primer autor de l'article.

“A més, hem trobat que en pertorbar farmacològicament l'acoblament entre neurones el sistema nerviós s'allunya de la criticalitat i la seva capacitat per transmetre informació disminueix"

Els autors van observar allaus neuronals que es propagaven en el cervell durant els períodes d'activitat espontània i induïda visualment. Van analitzar les estadístiques espai-temporals de les allaus neuronals i van comparar aquestes estadístiques en diverses situacions: durant l'activitat espontània, durant la presentació d'estímuls visuals, durant els comportaments motors autogenerats i durant lleugeres pertorbacions farmacològiques. "Els nostres resultats suggereixen que la dinàmica espontània de tot el cervell fluctua prop del punt crític d'una transició de fase, però, quan el sistema interactua amb el seu entorn (a través d'estímuls sensorials o moviments autogenerats), la dinàmica pot allunyar-se del punt crític. A més, hem trobat que en pertorbar farmacològicament l'acoblament entre neurones el sistema nerviós s'allunya de la criticalitat i la seva capacitat per transmetre informació disminueix", explica Ponce-Álvarez.

En conclusió, els autors han demostrat a partir d'un model in vivo i a nivell cel·lular que el sistema nerviós central es manté espontàniament en un estat crític amb invariància d'escala. No obstant això, en la seva interacció amb l'entorn (entrades sensorials i estímuls autogenerats), el cervell es desplaça cap a un règim més ordenat, amb menor diversitat de patrons d'activitat, potser per acotar les possibles representacions sensorials i motores i així seleccionar la més apropiada .

Article de referència:

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

Categories:

Per a més informació

Notícia publicada per:

Unitat de Comunicació i Projecció Institucionals

93 542 21 00

[email protected]

Para más información

Noticia publicada por:

Unidad de Comunicación y Proyección Institucionales

93 542 21 00

[email protected]

For more information

News published by:

Institutional Communication and Promotion Unit

93 542 21 00

[email protected]