L’activitat cerebral es regeix per un equilibri minuciós entre excitació i inhibició neuronal. Així, l’activació neuronal es produeix per mecanismes d’excitació regulats minuciosament a través de processos inhibitoris. Per a certes funcions, la xarxa neuronal necessita estar sincronitzada i això produeix oscil·lacions d’alta freqüència que permeten un bon processament de la informació i l’execució de comportaments. Aquesta sincronització depèn de l’equilibri entre l’excitació i la inhibició que s’ha vist afectat en un gran número de trastorns que cursen amb disfunció cognitiva.

En una investigació que es publica en el darrer número de la revista Journal of Neuroscience, científics del Centre de Regulació Genòmica (CRG) liderats per Mara Dierssen, de l’Institut d’Investigacions Biomèdiques (IDIBAPS) en el laboratori de Mavi Sánchez en col·laboració amb l’investigador de la UPF Jordi García Ojalvo, descobreixen alteracions en el ritme i la sincronització de l’escorça cerebral en un model de ratolí per un gen candidat de la síndrome de Down. Aquestes alteracions s’han relacionat amb problemes en funcions tan importants como la presa de decisions, la impulsivitat, la memòria o l’atenció. 

“En el passat ja havíem detectat canvis en l‘arquitectura cel·lular de les neurones de l’escorça cerebral en models animals de síndrome de Down. Vam observar que l’estructura de les neurones era diferent. Ara hem fet un pas endavant i hem estudiat la fisiologia, és a dir, la funció d’aquesta escorça cerebral i hem pogut comprovar que aquestes alteracions cel·lulars i petits canvis en la connectivitat inhibitòria es tradueixen en un dèficit de l’activació d’aquesta regió i en el seu ritme i sincronització de l’activitat neuronal,” explica Mara Dierssen, cap del grup de Neurobiologia Cel·lular i de Sistemes i co-investigadora principal d’aquest estudi. “Un dels grans problemes de la discapacitat intel·lectual és que no comprenem com les alteracions que detectem a nivell cel·lular desemboquen en canvis a nivell dels circuits cerebrals i alteracions de la funció cognitiva. El treball que acabem de publicar explica algunes d’aquestes alteracions cel·lulars i ofereix per primera vegada un estudi in vivo de la fisiologia de l’escorça cerebral, estructura clau en les funcions executives com la concentració, l’aprenentatge o la resolució de problemes,” afegeix.

Les científiques s’han centrat en un dels gens relacionats amb la síndrome de Down. Mitjançant experiments amb models animals que sobreexpressen el gen candidat, les investigadores van demostrar que l’excés d’aquest gen provoca canvis molt subtils en l’equilibri excitació/inhibició i aquests porten a una reducció. És a dir, que quan aquest gen es troba sobreexpressat, redueix el nivell de descàrrega de les neurones i altera el ritme en les ones d’alta freqüència de l’escorça cerebral. És més, van observar que el problema rau en unes neurones que s’encarreguen de controlar la inhibició. En resum, si hi ha menys activitat i existeix un desequilibri en les freqüències de les ones cerebrals en síndrome de Down és degut a canvis en la connectivitat de les neurones que s’encarreguen de controlar-les.

L’estudi ha combinat experiments d’electrofisiologia i histologia amb un model computacional que emula el circuit neuronal de l’escorça cerebral de forma virtual. “Hem identificat alteracions anatòmiques i funcionals, i a través d’un model computacional hem demostrat com aquests dèficits poden explicar les observacions experimentals” comenta  Sánchez Vives. “Gràcies al model computacional hem pogut comprendre tot l’engranatge i fer prediccions sobre el funcionament de l’escorça cerebral en aquesta patologia i sobre l’avaluació de l’impacte en la funció cognitiva de les alteracions detectades” conclou la investigadora.

En aquest treball, els primers autors del qual són Marcel Ruiz-Mejias de l’IDIBAPS i María Martínez de Lagrán del CRG, també han participat investigadors de la Universitat Pompeu Fabra, la Universidad Pablo de Olavide i l’Institut Superior de Salut de Roma.

Peu de foto: L’activitat de la neurona inhibitòria (verd) està controlada pels contactes  de  tipus  inhibidor  (vermell)  que  rep. Aquest control s’ha  vist  afectat  en  l’escorça  cerebral  del model de ratolí  de  síndrome  de  Down. Imatge cedida pel CRG.

Treball de referència: Ruiz-Mejias, Martinez de Lagran et al. Overexpression of Dyrk1A, a Down syndrome candidate, decreases excitability and impairs gamma oscillations in the prefrontal cortex The Journal of Neuroscience. 30 March 2016. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2517-15.2016