La corteza cerebral del cerebro produce percepción basada en la información sensorial que recibe a través de una región llamada tálamo.
«La forma en que el tálamo se comunica con la corteza es una característica fundamental de cómo el cerebro interpreta el mundo», dijo Elly Nedivi, profesora William R. y Linda R. Young en The Picower Institute for Learning and Memory en el MIT. A pesar de la importancia de la información talámica para la corteza, los neurocientíficos se han esforzado por comprender cómo funciona tan bien dada la relativa escasez de conexiones observadas, o «sinapsis», entre las dos regiones.
Para ayudar a cerrar esta brecha de conocimiento, Nedivi reunió una colaboración dentro y fuera del MIT para aplicar varios métodos innovadores. En un nuevo estudio en Neurociencia de la naturaleza, el equipo informa que las entradas talámicas en las capas superficiales de la corteza no solo son raras, sino también sorprendentemente débiles y bastante diversas en sus patrones de distribución. A pesar de esto, son representantes confiables y eficientes de la información en conjunto, y su diversidad es lo que subyace a estas ventajas.
Esencialmente, al mapear meticulosamente cada sinapsis talámica en 15 neuronas en la capa 2/3 de la corteza visual en ratones y luego modelar cómo esa entrada afectó el procesamiento de la información visual de cada neurona, el equipo descubrió que las amplias variaciones en el número y la disposición de las sinapsis talámicas los hizo diferencialmente sensibles a las características del estímulo visual. Si bien las neuronas individuales, por lo tanto, no podían interpretar de manera confiable todos los aspectos del estímulo, una pequeña población de ellas podría ensamblar de manera confiable y eficiente la imagen general.
«Parece que esta heterogeneidad no es un error, es una característica que proporciona no solo un costo-beneficio, sino que también confiere flexibilidad y robustez a la perturbación», dijo Nedivi, autor correspondiente del estudio y miembro de la facultad del MIT en los Departamentos de Biología y Cerebro y Ciencias Cognitivas.
Aygul Balcioglu, el científico investigador en el laboratorio de Nedivi que dirigió el trabajo, agregó que la investigación ha creado una forma para que los neurocientíficos rastreen todas las entradas individuales que recibe una célula a medida que sucede esa entrada.
«Miles de entradas de información se vierten en una sola célula cerebral. Luego, la célula cerebral interpreta toda esa información antes de comunicar su propia respuesta a la siguiente célula cerebral», dijo Balcioglu. «Lo que es nuevo y nos parece emocionante es que ahora podemos describir de manera confiable la identidad y las características de esas entradas, ya que diferentes entradas y características transmiten información diferente a una célula cerebral dada. Nuestras técnicas nos dan la capacidad de describir en animales vivos dónde en la estructura de la célula individual qué tipo de información se incorpora. Esto no era posible hasta ahora».
‘MAP’ping y modelado
El equipo de Nedivi y Balcioglu eligió la capa 2/3 de la corteza porque esta capa es donde hay una flexibilidad o «plasticidad» relativamente alta, incluso en el cerebro adulto. Sin embargo, rara vez se ha caracterizado la inervación talámica. Además, dijo Nedivi, aunque el organismo modelo para el estudio fueron los ratones, esas capas son las que más se han engrosado en el transcurso de la evolución y, por lo tanto, desempeñan un papel especialmente importante en la corteza humana.
Mapear con precisión toda la inervación talámica en neuronas enteras en ratones vivos y perceptivos es tan abrumador que nunca se ha hecho.
Para comenzar, el equipo utilizó una técnica establecida en el laboratorio de Nedivi que permite observar neuronas corticales completas bajo un microscopio de dos fotones usando tres etiquetas de colores diferentes en la misma celda simultáneamente, excepto que en este caso, usaron uno de los colores para etiquetar las entradas talámicas. en contacto con las neuronas corticales marcadas. Dondequiera que el color de esas entradas talámicas se superpusiera con el color, marcaba las sinapsis excitatorias en las neuronas corticales que revelaban la ubicación de las supuestas entradas talámicas en las neuronas corticales.
Los microscopios de dos fotones ofrecen una mirada profunda a los tejidos vivos, pero su resolución no es suficiente para confirmar que las etiquetas superpuestas son de hecho contactos sinápticos. Para confirmar sus primeros indicios de entradas talámicas, el equipo recurrió a una técnica llamada MAP inventada en el laboratorio del Instituto Picower del profesor asociado de ingeniería química del MIT, Kwanghun Chung. MAP agranda físicamente el tejido en el laboratorio, aumentando efectivamente la resolución de los microscopios estándar. Rebecca Gillani, posdoctorado en el laboratorio de Nedivi, con la ayuda de Taeyun Ku, un posdoctorado de Chung Lab, pudo combinar el nuevo etiquetado y MAP para resolver, contar, mapear e incluso medir definitivamente el tamaño de todas las sinapsis talámico-corticales en neuronas enteras.
El análisis reveló que las entradas talámicas eran bastante pequeñas (por lo general, se supone que también son débiles y tal vez temporales), y representaron entre el 2 y el 10 por ciento de las sinapsis excitatorias en las neuronas individuales de la corteza visual. La variación en el número de sinapsis talámicas no fue solo a nivel celular, sino también a través de diferentes ramas «dendriticas» de células individuales, lo que representa entre cero y casi la mitad de las sinapsis en una rama determinada.
«Sabiduría de la multitud»
Estos hechos plantearon un enigma al equipo de Nedivi. Si las entradas talámicas fueran débiles, escasas y muy variables, no solo entre neuronas sino incluso entre las dendritas de cada neurona, ¿qué tan buenas podrían ser para una transferencia de información confiable?
Para ayudar a resolver el acertijo, Nedivi recurrió a su colega Idan Segev, profesor de la Universidad Hebrea de Jerusalén que se especializa en neurociencia computacional. Segev y su alumno Michael Doron utilizaron las medidas anatómicas detalladas del laboratorio de Nedivi y la información fisiológica del Allen Brain Atlas para crear un modelo biofísicamente fiel de las neuronas corticales.
El modelo de Segev mostró que cuando las células recibieron información visual (las señales simuladas de ver una rejilla pasar por los ojos) sus respuestas eléctricas variaron en función de cómo variaba su entrada talámica. Algunas celdas se animaron más que otras en respuesta a diferentes aspectos de la información visual, como el contraste o la forma, pero ninguna celda individual reveló mucho sobre la imagen general. Pero con unas 20 células juntas, toda la entrada visual podría decodificarse a partir de su actividad combinada, la llamada «sabiduría de la multitud».
En particular, Segev comparó el rendimiento de las células con entradas débiles, escasas y variables similares a las que midió el laboratorio de Nedivi, con el rendimiento de un grupo de células que actuaron como la mejor célula individual del lote. Hasta unas 5000 sinapsis totales, el «mejor» grupo de células entregó resultados más informativos, pero después de ese nivel, el grupo pequeño, débil y diverso en realidad se desempeñó mejor. En la carrera por representar la entrada visual total con al menos un 90 por ciento de precisión, el pequeño grupo débil y diverso alcanzó ese nivel con unas 6700 sinapsis, mientras que el «mejor» grupo celular necesitó más de 7900.
«Por lo tanto, la heterogeneidad imparte una reducción de costos en términos de la cantidad de sinapsis requeridas para una lectura precisa de las características visuales», escribieron los autores.
Nedivi dijo que el estudio plantea implicaciones tentadoras con respecto a cómo funciona la entrada talámica en la corteza. Uno, dijo, es que, dado el pequeño tamaño de las sinapsis talámicas, es probable que muestren una «plasticidad» significativa. Otra es que el sorprendente beneficio de la diversidad puede ser una característica general, no solo un caso especial para la entrada visual en la capa 2/3. Sin embargo, se necesitan más estudios para estar seguros.
Además de Nedivi, Balcioglu, Gillani, Ku, Chung, Segev y Doron, otros autores son Kendyll Burnell y Alev Erisir.
El Instituto Nacional del Ojo de los Institutos Nacionales de Salud, la Oficina de Investigación Naval y la Fundación JPB financiaron el estudio.
