Investigadores descubren el mecanismo responsable de la transferencia de información entre distintas regiones del cerebro

A principios del siglo XX, los científicos comenzaron a registrar la actividad cerebral utilizando electrodos adheridos al cuero cabelludo. Para su sorpresa, vieron que la actividad cerebral se caracteriza por señales ascendentes y descendentes lentas y rápidas que posteriormente se denominaron «ondas cerebrales».

Desde entonces, las ondas cerebrales se han estudiado intensamente en el contexto de su participación en el procesamiento y transmisión de información entre diferentes regiones del cerebro. En el cerebro sano, se ha observado un cambio en la intensidad de las ondas en el contexto de una amplia gama de actividades cognitivas, como la memoria y el aprendizaje. Además, muchos estudios han demostrado que los cambios en la intensidad y frecuencia de las ondas indican epilepsia, autismo o enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer. La enfermedad de Alzheimer, por ejemplo, se caracteriza por una disminución brusca de la intensidad de las ondas a una determinada frecuencia, mientras que la epilepsia se caracteriza por un aumento muy brusco y anormal de la intensidad de las ondas a una frecuencia diferente.

Actualmente se sabe que las ondas cerebrales expresan actividad sincronizada de decenas de miles de células nerviosas (neuronas), por lo que un aumento normal en la intensidad de la onda expresa actividad sincronizada de diferentes grupos de neuronas con el fin de transmitir información. Pero, ¿por qué y cómo contribuyen estas ondas a la correcta transmisión de información en el cerebro?

Un nuevo estudio realizado por el estudiante de doctorado Tal Dalal en el laboratorio del Prof. Rafi Haddad, del Centro Multidisciplinario de Investigación del Cerebro Gonda (Goldschmied) en la Universidad Bar-Ilan en Israel, se enfoca en esta pregunta clave. En el estudio, publicado en Informes de celda, los investigadores alteraron el nivel de sincronización en el área del cerebro que transmite información. Luego examinaron cómo esto afectó la transferencia de información y cómo el área del cerebro que recibió la información la entendió.

La investigación se centró en las regiones del cerebro que forman parte del sistema olfativo, o sentido del olfato, que se caracteriza por una fuerte intensidad de las ondas cerebrales. Un tipo particular de neurona en esta región es responsable de crear actividad de ondas cerebrales sincronizadas. Para aumentar o disminuir la sincronización, los investigadores utilizaron la optogenética, un método que permite activar y desactivar la actividad neuronal, al igual que un interruptor, mediante la proyección de destellos de luz sobre el cerebro. De esta manera, la actividad de las neuronas sincronizadas se puede activar o desactivar para examinar cómo el cambio de la actividad sincronizada de muchas neuronas en una región afecta la transmisión de información a la siguiente región, que lee la información.

El área primaria o «aguas arriba» manipulada aumentando o disminuyendo la sincronización, es donde tiene lugar el procesamiento inicial en el sistema olfativo. Desde allí, la información sincronizada o no sincronizada, según la manipulación, se transfiere al área secundaria o «aguas abajo» del sistema olfativo responsable del procesamiento de nivel superior.

Los investigadores encontraron que el aumento de la sincronización de las neuronas en la región del cerebro aguas arriba que transmite información condujo a una mejora significativa en la transmisión y el procesamiento de la información en la región aguas abajo. Por el contrario, cuando se redujo la sincronización, se perjudicó la representación de la información en la región descendente.

También ocurrió un descubrimiento inesperado. «Nos sorprendió descubrir que la activación de las neuronas que inducen la sincronía también provocó una disminución en el nivel de actividad general en la región aguas arriba, por lo que habríamos esperado que se transfiriera menos información a la región aguas abajo. Pero el hecho mismo de que la salida de la región ascendente está sincronizada, compensa la actividad reducida general e incluso mejora la transferencia de información», explica Dalal.

Los investigadores concluyeron a partir de esto la importancia de la actividad cerebral sincronizada para la transferencia y el procesamiento de la información. Cuando se sincronizan miles de neuronas, la transmisión de información en el cerebro se realiza de manera más poderosa y confiable, en comparación con una situación en la que la actividad es asíncrona y cada neurona opera de manera independiente, independientemente del grupo. Dalal dice que esto se puede comparar con una manifestación de decenas de miles de personas en una plaza pública en comparación con los manifestantes dispersos en diferentes lugares. El poder de la actividad compartida y sincronizada es inmenso en comparación con la actividad independiente no sincronizada.

Este hallazgo puede explicar por qué una disminución en la actividad sincronizada, que expresa una disminución en la intensidad de las ondas cerebrales, puede resultar en un deterioro cognitivo en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. «Hasta la fecha, los estudios han demostrado una correlación entre la disminución de la sincronicidad y la enfermedad neurodegenerativa, pero no han demostrado por qué ni cómo sucede», dice Dalal. «En nuestro estudio, hemos demostrado cómo la sincronización contribuye a la transmisión y el procesamiento de información en el cerebro, y esta puede ser la razón por la que eventualmente vemos deterioro cognitivo en los pacientes».

El estudio de Dalal y el Prof. Haddad ofrece nuevas opciones para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas. Es posible que la actividad cerebral anormal se corrija en el futuro a través de la estimulación específica de ciertas neuronas, como los destellos de luz utilizados para la manipulación en este estudio, para restaurar la sincronización al nivel requerido para la actividad cerebral normal.