Una nueva investigación muestra que cuando las neuronas obtienen información sobre el mundo cambiante que las rodea (entrada sensorial relevante para una tarea), cambia la forma en que se comportan, colocándolas en un estado de limbo de modo que pequeñas entradas pueden desencadenar una "avalancha" de actividad cerebral, lo que respalda una teoría llamada hipótesis crítica del cerebro.

Imagen microscópica de una célula neural con marcadores fluorescentes que muestran diferentes tipos de células. El verde marca las neuronas y los axones, el morado marca las neuronas, el rojo marca las dendritas y el azul marca todas las células. Cuando hay varios marcadores, los colores se fusionan y, a menudo, aparecen de color amarillo o rosa, según la proporción de marcadores. Crédito de la imagen: Cortical Labs

Investigadores de CorticalLabs y la Universidad de Melbourne utilizaron DishBrain, una colección de 800.000 células nerviosas humanas, para aprender a jugar tenis de mesa. La investigación fue publicada recientemente en la revista Nature Communications.

Esta es la evidencia más sólida hasta el momento que respalda una teoría controvertida sobre cómo el cerebro humano procesa la información. Según la hipótesis crítica del cerebro, los comportamientos grandes y complejos sólo son posibles cuando las neuronas están en un estado límbico y pequeñas entradas pueden desencadenar una "avalancha" de actividad cerebral. Este estado de delicado equilibrio se conoce como "neurocrítico" y se encuentra entre dos extremos: la excitación incontrolada que se observa en enfermedades como la epilepsia y el coma, donde se estanca la señalización.

El Dr. Brett Kagan, director científico de la startup de biotecnología CorticalLabs, dijo: "No sólo muestra que la red se reorganiza en un estado casi crítico cuando recibe información estructurada, sino que alcanzar ese estado también conduce a un mejor desempeño de la tarea". Los resultados fueron sorprendentes y superaron con creces nuestras expectativas. ”

Este estudio añade una pieza importante al rompecabezas de la hipótesis crítica del cerebro.

TAGP H19ForoughHabibollahi, primer autor del estudio

Hallazgos e implicaciones clave

Hasta ahora, hay poca evidencia experimental sobre si la criticidad es una característica general de las redes neuronales biológicas o si está relacionada con la carga de información . TAGPH27

El Dr. Kagan dijo: “Nuestros resultados muestran que el comportamiento de la red casi crítico ocurre cuando una red neuronal realiza una tarea que no ocurre cuando no está estimulada. "

Sin embargo, la investigación del Dr. Kagan muestra que la criticidad por sí sola no es suficiente para impulsar el aprendizaje de la red neuronal. "El aprendizaje requiere un circuito de retroalimentación que proporcione a la red información adicional sobre las consecuencias de una acción", dijo. "

Las últimas investigaciones destacan el potencial de DishBrain para ayudar a desbloquear los secretos del cerebro humano y cómo funciona, algo que no es posible en modelos animales.

El primer autor, el Dr. Forough Habibullahi, dijo: "Por lo general, para estudiar el cerebro, especialmente a escala neuronal, los investigadores tienen que utilizar modelos animales, pero hay muchas dificultades para hacerlo y el número de sujetos de estudio es limitado, así que cuando vi que DishBrain podía responder diferentes tipos de preguntas de una manera que otros no podían

Aplicaciones y futuro Posibilidades

Los médicos también ven un gran potencial en esta investigación para ayudar a descubrir tratamientos para enfermedades cerebrales graves

“El Proyecto Pivotal DishBrain ha sido una increíble experiencia de colaboración entre laboratorios corticales, ingeniería biomédica y neurología”, dijo el autor del artículo, el Dr. Chris French, jefe del Laboratorio de Neurodinámica en El Departamento de Medicina de la Universidad de Melbourne “La dinámica clave de las neuronas DishBrain podría proporcionar biomarcadores clave para diagnosticar y tratar una variedad de enfermedades neurológicas, desde la epilepsia hasta la demencia. "

Al construir modelos cerebrales vivos, los científicos podrán realizar experimentos utilizando la función cerebral real en lugar de modelos similares defectuosos, como las computadoras, no solo para explorar la función cerebral sino también para probar cómo la afectan las drogas.

Profesor Anthony Burkitt, autor del artículo y jefe del Departamento de Bioseñales y Sistemas Biológicos en la Universidad de Melbourne, dijo que esta investigación también puede resolver los desafíos que enfrentan las interfaces cerebro-computadora y puede restaurar funciones perdidas debido al daño nervioso

"Una característica clave de la próxima generación de neuroprótesis e interfaces cerebro-computadora que estamos investigando actualmente implica la utilización de estrategias de circuito cerrado en tiempo real, por lo que los resultados de este estudio pueden tener implicaciones importantes para comprender cómo hacerlo. Estas estrategias de control y estimulación interactúan con los circuitos neuronales del cerebro. El campo del modelado biológico del cerebro está en su infancia, pero abre el camino a un campo de la ciencia completamente nuevo", afirmó el Dr. Kagan.