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Un mapa escondido en el cerebro guía los movimientos

Un nuevo estudio revela que, en el fondo del cerebro, en una estructura llamada cuerpo estriado, todos los movimientos posibles que un animal puede hacer se representan en un mapa de la actividad neuronal. Si pensamos en la actividad neuronal como las coordenadas de este mapa, entonces movimientos similares tienen coordenadas parecidas, siendo representados más cerca en el mapa, mientras que las acciones que son más diferentes registran coordenadas más distantes y están más lejos.

“Desde los oídos hasta los dedos de los pies y todo lo demás, cada movimiento que el cuerpo hace está determinado por un patrón único de actividad de las células cerebrales, pero hasta ahora, y usando la analogía del mapa, sólo teníamos algunas piezas de información, como latitudes y longitudes aisladas, pero no un mapa real. Este estudio fue como mirar este mapa por primera ve?, dice uno de los autores del trabajo, Rui Costa, doctor en Medicina Veterinaria, neurocientífico e investigador principal en el Instituto del Comportamiento Cerebral Mortimer B. Zuckerman de Columbia, Nueva York, Estados Unidos.

El cuerpo estriado del cerebro es una estructura que ha estado implicada en muchos procesos cerebrales, sobre todo en aprender y seleccionar qué movimientos hacer.

Por ejemplo, un pianista de concierto aprovecha su cuerpo estriado para aprender y tocar ese concierto perfecto.

Los primeros estudios argumentaron que las células en el estriado envían dos tipos simples de señales a través de diferentes vías, ya sea ‘ir’ o ‘no ir’, y que esta combinación de estas dos señales –actuando como un pedal de gas y un freno_son las que impulsan el movimiento. Sin embargo, Costa, también científico del Centro Champalimaud para lo desconocido, y su equipo argumentan que la realidad es mucho más compleja, y que ambos tipos de neuronas contribuyen al movimiento de una manera muy específica.

“Lo que importa no es cuánta actividad hay en cada vía, sino más bien los patrones precisos de actividad -señala Costa-. En otras palabras, qué neuronas están activas en un momento determinado y qué tipo de movimientos, o comportamientos, corresponden a esa actividad’.

La clave para observar la actividad neuronal durante el comportamiento natural fue que los ratones tenían que ser capaces de moverse libre y naturalmente. Para lograr esto, el equipo conectó microscopios en miniatura y móviles a las cabezas de los ratones, lo que les permitió capturar los patrones de actividad individual de hasta 300 neuronas en el estriado. Al mismo tiempo, cada ratón fue equipado con un acelerómetro, como un ’Fitbit’ miniatura, que registró los movimientos del roedor.

“Hemos registrado neuronas estriatales antes, pero aquí tenemos la ventaja de fotografiar 200-300 neuronas con la resolución de una sola célula, al mismo tiempo que podemos estudiar la dinámica de la población con gran detalle dentro de una estructura profunda del cerebro. Además, aquí modificamos genéticamente a los ratones para que las neuronas fueran visibles cuando estuvieran activas, permitiéndonos medir poblaciones neuronales específicas, lo que nos da un acceso sin precedentes a la dinámica de una gran población de neuronas en una estructura cerebral profunda”, detalla otro miembro del equipo, la investigadora Gabriela Martins.

PISTAS PARA ENTENDER PATOLOGÍAS COMO EL PARKINSON

Luego, trabajando con Liam Paninski, estadístico e investigador principal en el Instituto Zuckerman, los autores de este trabajo idearon un método matemático para eliminar cualquier ruido de fondo de los datos. Lo que les quedó fue una ventana clara a los patrones de la actividad neuronal, que podría servir de base para el catálogo completo o el repertorio de movimientos. “Lo que vimos fue que, para cada tipo de movimiento, hay un patrón particular de actividad cerebral, y que estos patrones se organizan de una manera específica”, subraya Costa.

En el cuerpo estriado hay una organización que no es aleatoria, donde las neuronas que están activas juntas tienden a estar más juntas en el espacio. “Esto, una vez más, implica que podemos aprender mucho más de la actividad neuronal y cómo se relaciona con el comportamiento al considerar patrones detallados del conjunto en vez de mirar la actividad media”, afirma Andreas Klaus, investigador postdoctoral y uno de los principales autores.

Esta representación particular de alguna manera mapea el repertorio completo de acciones posibles. Acciones similares que hacemos son representadas de forma más similar y las acciones que son más diferentes se representan de manera distinta. “Esta cartografía refleja la similitud en las acciones más allá de los aspectos de la velocidad de movimiento”, añade Klaus.

“La descripción precisa de la organización de la actividad en el estriado en condiciones normales es el primer paso para entender si, y cómo, estas dinámicas se cambian en los trastornos del movimiento, como en el Parkinson. Los expertos tienden a concentrarse en las interrupciones de la cantidad de actividad neuronal que juegan un papel en el Parkinson, pero estos resultados sugieren que es el patrón de actividad, y específicamente las interrupciones a ese patrón, que puede ser más crítico”, apunta el Costa.

Según los investigadores, su trabajo, que se publica este miércoles en ‘Neuron’, marca un paso crítico hacia un objetivo científico buscado desde hace tiempo: descifrar cómo el cerebro genera comportamiento. También ofrece pistas sobre qué puede suceder en trastornos caracterizados por movimientos interrumpidos o repetitivos, incluyendo la enfermedad de Parkinson y el trastorno obsesivo-compulsivo.

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