Revelan que el cerebro toma microsiestas mientras está activo: qué significa para la neurociencia

Científicos revelaron que pequeñas áreas del cerebro pueden tomar microsiestas mientras el resto del órgano está activo.

Los hallazgos, publicados en la revista Nature, son el resultado de una colaboración entre los laboratorios del profesor adjunto de biología Keith Hengen en la Universidad de Washington en St. Louis y el profesor de ingeniería biomolecular David Haussler en la UC Santa Cruz. Los estudiantes de doctorado David Parks (UCSC) y Aidan Schneider (WashU) lideraron la investigación.

Durante cuatro años, Parks y Schneider entrenaron una red neuronal para analizar patrones dentro de grandes volúmenes de datos de ondas cerebrales. Así, descubrieron patrones que ocurren en frecuencias extremadamente altas y que, según ellos, desafían las concepciones fundamentales sobre el sueño y la vigilia.

Haussler destacó la importancia del descubrimiento: “Para nosotros como científicos fue sorprendente descubrir que diferentes partes de nuestro cerebro realmente toman pequeñas siestas cuando el resto del cerebro está despierto”.

La investigación utilizó datos de ratones en el Laboratorio Hengen en St. Louis. Los animales, que se comportaban libremente, estaban equipados con un auricular muy ligero que registraba la actividad cerebral de 10 regiones diferentes durante meses, rastreando el voltaje de pequeños grupos de neuronas con precisión de microsegundos.

David Parks lideró el esfuerzo de introducir esta información en una red neuronal artificial, que puede encontrar patrones altamente complejos y diferenciar datos de sueño y vigilia que la observación humana podría haber pasado por alto. Una colaboración con la infraestructura informática académica de la UC San Diego permitió manejar esta cantidad de datos.

Parks comenzó a introducir fragmentos de datos cada vez más pequeños en la red neuronal y le pidió que predijera si el cerebro estaba dormido o despierto. El modelo pudo diferenciar entre sueño y vigilia a partir de tan solo milisegundos de datos de actividad cerebral.

“Estamos viendo información con un nivel de detalle sin precedentes”, dijo Haussler. La investigación mostró que incluso con milisegundos de datos, era posible determinar si el cerebro estaba dormido o despierto, lo que sugirió que algo importante está sucediendo a una escala muy rápida.

“Las regiones individuales cambiaron de estado de manera intermitente independientemente del resto del cerebro, y estas breves discontinuidades de estado coincidieron con breves discontinuidades conductuales”, escribieron los científicos en el estudio.

Hengen inicialmente dudó de los resultados, ya que contradecían sus conceptos básicos de neurociencia. Pidió a Parks que presentara más pruebas. “Esto me planteó el reto de preguntarme: ‘¿Hasta qué punto mis creencias se basan en pruebas y qué pruebas necesitaría para refutarlas?’”, explicó Hengen.

El profesor Hengen, por su parte, comentó sobre el impacto de este descubrimiento: “Con herramientas poderosas y nuevos métodos computacionales, hay mucho que ganar si cuestionamos nuestras suposiciones más básicas y revisamos la pregunta ‘¿qué es un estado?’”. Según Hengen, el sueño o la vigilia son los mayores determinantes de nuestro comportamiento, y todo lo demás se deriva de allí..

Para entender qué estaba aprendiendo el modelo, Parks comenzó a eliminar capas de información temporal y espacial. Finalmente, observaban fragmentos de datos cerebrales de apenas un milisegundo de duración en las frecuencias más altas de fluctuaciones de voltaje cerebral.

“Recopilamos toda la información que la neurociencia ha utilizado para comprender, definir y analizar el sueño durante el último siglo y nos preguntamos: ‘¿Puede el modelo seguir aprendiendo en estas condiciones?’”, explicó Parks. Esto permitió analizar señales que no se habían comprendido antes.

Los investigadores determinaron que los patrones hiperrápidos de actividad entre unas pocas neuronas eran fundamentales para el sueño. Estas señales no pueden explicarse por las ondas tradicionales y lentas. Los investigadores sugieren que las ondas lentas podrían coordinar los patrones rápidos, pero los patrones rápidos están más cerca de la esencia del sueño.

Al estudiar estos datos, se notó otro fenómeno sorprendente: “parpadeos”, momentos en los que una región del cerebro se despierta o se duerme brevemente mientras el resto permanece en el estado opuesto. Estos parpadeos podrían estar limitados a áreas muy pequeñas del cerebro, según los autores.

Schneider señaló: “En algunos casos, estos parpadeos podrían estar limitados al área de una sola región cerebral, tal vez incluso más pequeña que eso”. Estos parpadeos sugieren una separación entre el macroestado del cerebro y los patrones rápidos y locales de actividad neuronal. Los investigadores observaron que cuando una región del cerebro parpadea para dormir mientras el resto del cerebro está despierto, el ratón se detiene por un segundo. De manera similar, un parpadeo durante el sueño se refleja en un animal que se mueve.

Los parpadeos no siguen las reglas establecidas del ciclo del sueño y la vigilia, lo que desafía las nociones existentes. “Estamos viendo destellos entre la vigilia y la fase REM, entre la fase REM y la fase no REM; vemos todas estas combinaciones posibles”, dijo Hengen.

Comprender estos patrones podría ayudar a estudiar mejor enfermedades neurodegenerativas y del desarrollo neurológico, de acuerdo a los autores. Los grupos de laboratorio de Haussler y Hengen están interesados en explorar esta conexión y estudiar más estos fenómenos en modelos de organoides cerebrales. “Esto nos proporciona un bisturí muy afilado con el que abordar estas cuestiones de enfermedades y trastornos”, afirmó Hengen. Una comprensión más profunda de los patrones de alta frecuencia y los parpadeos podría impulsar avances en el tratamiento de estas enfermedades.