UB: La neuroenginyeria de precisió permet reproduir in vitro funcions cerebrals complexes
Una de les característiques més importants i sorprenents del cervell és la seva habilitat per reconfigurar dinàmicament connexions per processar estímuls i respondre-hi correctament. Investigadors de la Universitat de Tohoku (Sendai, Japó) i de la Universitat de Barcelona han dissenyat, mitjançant eines de neuroenginyeria, circuits neuronals in vitro que reprodueixen la capacitat de segregació i d’integració dels circuits cerebrals i que permeten entendre les claus de la reconfiguració dinàmica del cervell. L’estudi s’ha publicat a Science Advances.
Per reconfiguració dinàmica s’entén el reforçament o debilitament d’enllaços mitjançant un augment o una disminució de l’activitat neuronal. Quan la reconfiguració condueix a una major cohesió entre diferents circuits neuronals del cervell, es diu que aquest s’integra, i quan disminueix la cohesió es diu que se segrega. «Aquest estudi demostra la importància de l’organització modular per maximitzar la flexibilitat d’un circuit neuronal. També il·lustra el potencial de les eines in vitro i dels models biofísics per avançar en la comprensió de fenòmens col·lectius en un sistema complex tan fascinant i ric com el cervell», explica Jordi Soriano, investigador de l’Institut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS) i coautor del treball.
La integració està associada a l’intercanvi ràpid d’informació entre circuits molt llunyans i diferents, mentre que la segregació està associada al processament d’informació en circuits localitzats. El que fa únic el cervell és que contínuament passa d’un estat segregat a un d’integrat segons la naturalesa i la força dels estímuls. La reconfiguració dinàmica evita crear i destruir connexions físiques contínuament, una estratègia tan poc efectiva com energèticament costosa. Així, per exemple, els estímuls que ens arriben mitjançant la vista, l’oïda i l’olfacte es processen de manera segregada a l’escorça cerebral per després integrar-se parcialment o totalment segons les necessitats. Mentre mirem una pel·lícula integrem imatges i sons, ignorant les olors i altres estímuls. Però quan sentim olor de cremat, s’alerta el cervell perquè integri i analitzi tota la informació possible per prendre decisions urgents.
Malgrat la importància de la integració i la segregació, els mecanismes biofísics lligats a la reconfiguració dinàmica encara no eren ben coneguts. A més, tampoc s’entenia com de sensible és la capacitat d’integració-segregació al nombre de connexions físiques existents entre regions cerebrals.
El model de cervell in vitro que han desenvolupat els investigadors consisteix en quatre mòduls interconnectats, on cada mòdul representa un circuit neuronal especialitzat (per exemple, vista o oïda). Els quatre mòduls estan recoberts de proteïnes adhesives i nutrients on es desenvolupen neurones, les quals es connecten entre elles dins un mòdul i amb altres neurones en mòduls llunyans. La neuroenginyeria de precisió permet controlar quantes connexions passen d’un mòdul a un altre i, per tant, permet ajustar el grau d’acoblament físic entre mòduls. En aquest model els estímuls corresponen a activacions espontànies de neurones.
Fent servir microscòpia de fluorescència de calci per detectar les activacions neuronals, els investigadors han estudiat la capacitat del circuit per integrar-se o segregar-se espontàniament segons el grau de connectivitat entre els mòduls i altres factors. «El que hem observat és que el circuit està permanentment integrat o segregat quan el nombre de connexions entre mòduls és massa gran o massa petit. El circuit òptim és aquell en què els quatre mòduls tenen una connectivitat just per sota de la mínima per integrar-se, de manera que els polsos d’activitat neuronal són suficients per reforçar puntualment les connexions i completar la integració. A la pràctica, aquest circuit òptim activat espontàniament treballa en un règim en què coexisteixen integració i segregació», apunta Hideaki Yamamoto, investigador de la Universitat de Tohoku. L’expert puntualitza que «la dinàmica observada encara està molt lluny de la complexitat del cervell real, però s’han pogut aconseguir detalls sobre els mecanismes fonamentals que perfilen la dinàmica del cervell.♦
Referència de l’article: H. Yamamoto, S. Moriya, K. Ide, T. Hayakawa, H. Akima, S. Sato, S. Kubota, T. Tanii, M. Niwano, S. Teller, J. Soriano, A. Hirano-Iwata. «Impact of modular organization on dynamical richness in cortical networks». Science Advances, 14 de novembre de 2018. DOI: 10.1126/sciadv.aau4914
