Pequeñas sondas de alta tecnología revelan cómo fluye la información a través del cerebro
Un nuevo estudio de investigadores del Instituto Allen recopiló y analizó el mayor conjunto de datos sobre la actividad eléctrica de las neuronas para obtener los principios de cómo percibimos el mundo visual que nos rodea. El estudio, publicado el miércoles en la revista Nature, captura cientos de señales eléctricas en fracciones de segundo que se activan cuando un animal está interpretando lo que ve. Crédito: Instituto Allen
Un nuevo estudio de investigadores del Instituto Allen recopiló y analizó el mayor conjunto de datos de la actividad eléctrica de las neuronas para obtener los principios de cómo percibimos el mundo visual que nos rodea. El estudio, publicado el miércoles en la revista Nature, captura cientos de señales eléctricas en fracciones de segundo que se activan cuando un animal está interpretando lo que ve.
Tu cerebro procesa el mundo que te rodea casi instantáneamente, pero hay numerosos pasos ultrarrápidos entre la luz que llega a tus retinas y el punto en el que te das cuenta de lo que tienes delante. Los humanos tienen tres docenas de áreas cerebrales diferentes responsables de comprender el mundo visual, y los científicos aún no conocen muchos de los detalles de cómo funciona ese proceso.
«A un nivel muy alto, queremos entender por qué necesitamos tener múltiples áreas visuales en nuestro cerebro en primer lugar», dijo Josh Siegle, Ph.D., Investigador Asistente en el Programa MindScope del Instituto Allen. «¿Cómo se especializa cada una de estas áreas y luego cómo se comunican entre sí y sincronizan su actividad para guiar de manera efectiva sus interacciones con el mundo?»
En el nuevo estudio, Siegle y otros investigadores de MindScope, Xiaoxuan Jia, Ph.D., científico principal; Shawn Olsen, Ph.D., investigador asociado; y Christof Koch, Ph.D., científico jefe dirigieron un equipo de investigadores para precisar algunos de esos detalles.
El equipo del Instituto Allen recurrió al ratón, cuyo cerebro del tamaño de un frijol todavía es increíblemente Complicado. La visión de los ratones no es la misma que la nuestra, por un lado, dependen más de otros sentidos que nosotros, pero los neurocientíficos creen que aún pueden aprender muchos principios generales sobre el procesamiento sensorial del estudio de estos animales.
Uso de neuropíxeles, alta resolución sondas de silicio más delgadas que un cabello humano que leen la actividad de cientos de neuronas a la vez, el equipo construyó un conjunto de datos público de picos eléctricos de aproximadamente 100,000 neuronas en el cerebro del ratón.
Este conjunto de datos no solo es el más grande colección de la actividad eléctrica de las neuronas en el mundo, pero cada experimento en la base de datos capturó información de cientos de células cerebrales de hasta ocho regiones visuales diferentes del cerebro a la vez. Leer la actividad eléctrica simultáneamente en diferentes áreas del cerebro permitió a los científicos rastrear señales visuales en tiempo real a medida que pasaban de los ojos del ratón a regiones superiores de su cerebro.
Los investigadores descubrieron que la información visual viaja a lo largo una ‘jerarquía’ a través del cerebro, en la que las áreas inferiores representan conceptos visuales más simples como la luz y la oscuridad, mientras que las neuronas en la parte superior de la jerarquía capturan ideas más complejas, como la forma de los objetos.
«Históricamente , las personas han estudiado una región del cerebro a la vez, pero el cerebro no media el comportamiento y la cognición con una sola área», dijo Olsen. «Estamos aprendiendo que el cerebro funciona a través de la interacción de áreas y señales enviadas de un área a otra, pero las limitaciones técnicas nos han impedido estudiar esto en profundidad en el pasado. Realmente necesitábamos la vista integrada que proporciona este conjunto de datos para comenzar. para entender cómo funciona».
Investigadores del Instituto Allen se preparan para un experimento de Neuropixels. Crédito: Instituto Allen
Rastreando los patrones de tráfico del cerebro
El estudio Neuropixels se basó en un estudio anterior del Instituto Allen que mapeó el diagrama de cableado del cerebro del ratón, las conexiones físicas hechas por haces de axones entre muchas áreas diferentes de el cerebro. Con datos del Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, ese estudio rastreó miles de conexiones dentro y entre el tálamo y la corteza, la capa más externa del cerebro de los mamíferos que es responsable de funciones de nivel superior, incluido el procesamiento del mundo visual.
Si los datos de conectividad son como el mapa de carreteras del cerebro, el conjunto de datos de Neuropixels es similar al seguimiento de los patrones de tráfico en el cerebro, dijo Koch. Aunque las señales en el cerebro se mueven en una fracción de segundo de una región a la siguiente, las sondas son lo suficientemente sensibles como para detectar retrasos de tiempo muy leves que permiten a los científicos dibujar un mapa en tiempo real de la ruta que toma la información visual en el cerebro. Al comparar los datos de Neuropixels con los datos de conectividad, los científicos pueden obtener una imagen más clara de cómo la información se mueve a lo largo de las vías neuronales.
«Es como si estuviéramos tratando de mapear cómo las ciudades están conectadas observando el movimiento de autos en la carretera», dijo Koch. «Si vemos un automóvil en Seattle y luego, unas horas más tarde, vemos ese mismo automóvil en Spokane y luego mucho más tarde vemos el automóvil en Minneapolis, entonces tenemos una idea de que la conexión de Seattle a Minneapolis tiene que pasar por Spokane en el camino».
Al igual que los caminos en un país, el mapa de cableado de un cerebro no es una estructura simple. Hay muchas conexiones diferentes y paralelas entre dos áreas del cerebro, incluso dos áreas vecinas. Y al igual que nuestro sistema de carreteras interestatales, carreteras arteriales y carreteras más pequeñas, el cerebro tiene conexiones más fuertes y más débiles. Solo conocer el mapa físico no es suficiente para predecir la ruta de la información visual.
Los investigadores pudieron mapear las señales en una jerarquía utilizando los retrasos de tiempo que observaron en la actividad neuronal entre diferentes regiones del cerebro. También utilizaron otras medidas para confirmar la jerarquía, incluido el tamaño del campo visual al que responde cada neurona. Las células inferiores en la jerarquía están sintonizadas con porciones más pequeñas del mundo visual del animal, mientras que las neuronas de nivel superior reaccionan con regiones más grandes del espacio visual, presumiblemente porque esas células están integrando más información sobre una imagen completa frente al animal.
Un proceso crítico
Los científicos capturaron la actividad neuronal tanto cuando los animales miraban diferentes fotos e imágenes simples como en ratones entrenados para responder a un cambio de imagen frente a sus ojos lamiendo un diminuto tromba marina. Vieron que la información viajaba en el cerebro a través de la misma ruta jerárquica en ambas situaciones. Cuando se entrenó a los ratones para que respondieran a un cambio visual, sus neuronas visuales también alteraron su actividad, y las células más altas en la jerarquía mostraron cambios aún mayores.
Los científicos incluso pudieron darse cuenta con solo observar la actividad neuronal. independientemente de si un animal en particular había detectado o no con éxito un cambio en la imagen.
Y si los investigadores apagaban todas las luces sin dar a los animales información visual, muchas de las mismas neuronas visuales aún se disparaban, aunque más lentamente, pero el se perdió el orden del flujo de información. Esto podría significar que se necesita la jerarquía para procesar la información visual, pero los animales usan las mismas células para otros propósitos en un circuito diferente.
Aunque este tipo de experimentos detallados no son posibles en humanos, los estudios que analizan La actividad cerebral general ha visto un tipo similar de jerarquía y cambios en la actividad cerebral en las partes de nuestro cerebro responsables del procesamiento visual y del sonido. Los neurocientíficos creen que este tipo de procesamiento jerárquico se usa en todo el cerebro para comprender muchos aspectos del mundo que nos rodea, no solo lo que vemos.
«Sabemos que nuestra capacidad para crear representaciones coherentes de los objetos que estamos viendo es un proceso crítico para la supervivencia. Nuestros cerebros en realidad han designado alrededor del 30 al 50 por ciento de la corteza solo para el procesamiento visual», dijo Jia. «Nuestro estudio sugiere que este procesamiento jerárquico de la información visual también es significativo o importante para el animal».
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El cerebro despeja el camino para la visión binocular incluso antes de que los ojos estén abiertos Más información: Joshua H. Siegle et al, Encuesta de picos en el sistema visual del ratón revela una jerarquía funcional, Naturaleza (2021). DOI: 10.1038/s41586-020-03171-x Información de la revista: Nature
Proporcionado por Allen Institute for Brain Science Cita: Diminutas sondas de alta tecnología revelan cómo la información fluye a través del cerebro (21 de enero de 2021) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-01-tiny-high-tech-probes-reveal-brain.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.