Cuáles son los mensajeros químicos del cerebro y cómo regulan el sueño, la atención y la conciencia

Un grupo internacional de neurocientíficos y modeladores computacionales se propuso responder una pregunta que atraviesa décadas de investigación: por qué el cerebro cambia tanto su “ritmo” según estemos dormidos, atentos o procesando información del entorno. La clave, sugiere un nuevo trabajo académico, está en tres mensajeros químicos que funcionan como reguladores finos del sistema nervioso: la acetilcolina, la dopamina y la serotonina.

La investigación, encabezada por Newcastle University y publicada en PLOS Computational Biology, describió cómo esos neuromoduladores —sustancias que ajustan la forma en que las neuronas se activan— modifican la actividad eléctrica de decenas de miles de neuronas a la vez en un cerebro en desarrollo. Para lograrlo, el equipo combinó mediciones experimentales con modelos computacionales detallados capaces de simular un microcircuito cortical completo.

En términos simples, el hallazgo central fue que la acetilcolina actuó como un “interruptor” que apagó con fuerza los ritmos lentos del cerebro vinculados al sueño profundo (como las ondas delta), mientras la dopamina y la serotonina también hicieron que la actividad de la corteza fuera menos sincronizada, es decir, que las neuronas dejaran de “moverse en bloque” al mismo tiempo.

Además, la serotonina mostró un efecto particular: promovió oscilaciones theta, un tipo de onda más rápida que suele asociarse a estados en los que el cerebro está procesando información, un resultado que, según Newcastle University, abre una vía poco explorada para entender el procesamiento sensorial y el modo en que actúan terapias dirigidas a ese sistema químico.

Quiénes participaron y qué buscó el estudio

El trabajo reunió a científicos del Neural Circuits Laboratory de la universidad británica, del Blue Brain Project de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, y de instituciones de España. El objetivo fue estudiar cómo estos mensajeros químicos moldean, de manera simultánea y a gran escala, la dinámica del cerebro.

El autor principal, Srikanth Ramaswamy, jefe del Neural Circuits Laboratory del Biosciences Institute de Newcastle University, enmarcó el desafío en una pregunta clásica. “Entender cómo los sistemas químicos del cerebro regulan la consciencia, el sueño y la atención ha sido un desafío central en la neurociencia durante décadas”, afirmó en un comunicado de la universidad.

Ramaswamy sostuvo, además, que el trabajo ofrece “un marco riguroso y cuantitativo” para conectar la anatomía de esos sistemas con su impacto funcional. También indicó que la investigación genera predicciones nuevas y comprobables, que podrán ponerse a prueba en estudios futuros.

Cómo mapearon los mensajeros químicos del cerebro

Para comprender la influencia de la acetilcolina, la dopamina y la serotonina, el equipo primero necesitaba un mapa anatómico preciso: dónde están y con qué densidad aparecen las fibras que liberan estas sustancias. Los investigadores trazaron esa distribución en todas las capas de la corteza somatosensorial de una rata, una región vinculada al procesamiento de información corporal.

Una manera de imaginarlo es pensar en el cerebro como una ciudad iluminada por señales. Las neuronas serían edificios que se encienden y apagan, y las fibras neuromoduladoras, el tendido que permite ajustar el brillo general, bajar el “ruido” o cambiar el tipo de iluminación según el momento. No transmiten un único mensaje puntual: más bien regulan el estado de la red.

Para construir ese mapa, los científicos utilizaron técnicas de inmunocitoquímica y métodos estereológicos. A partir de esas mediciones, observaron que el sistema colinérgico —relacionado con la acetilcolina— fue el neuromodulador dominante en esa zona: la densidad de varicosidades de esas fibras resultó 2,3 veces mayor que la del sistema serotoninérgico.

Luego, el grupo integró esos datos anatómicos en un modelo computacional biofísico detallado de la corteza. En otras palabras, trasladaron la estructura medida en el laboratorio a una simulación que no se limita a “dibujar” neuronas, sino que intenta reproducir cómo se comportan eléctricamente.

Ese enfoque permitió simular por primera vez cómo la activación de estos tres sistemas químicos altera la actividad eléctrica rítmica de un microcircuito cortical completo. El análisis se realizó sobre decenas de miles de neuronas de forma simultánea, algo que sería muy difícil de observar en conjunto con técnicas tradicionales.

Qué efecto tienen la acetilcolina, la dopamina y la serotonina

El estudio concluyó que la acetilcolina redujo con fuerza las oscilaciones cerebrales lentas, incluidas las ondas delta asociadas al sueño profundo. En la práctica, es como si ayudara al cerebro a salir del “modo sueño profundo” y a pasar a un estado más activo, algo que coincide con su papel conocido en la vigilia y la atención.

El análisis indicó que ese efecto se explicó mejor por una señalización precisa, sinapsis por sinapsis, que por una liberación difusa. Dicho de otro modo: más que actuar como un “spray” que se dispersa por una zona amplia, la acetilcolina parecería funcionar con un control más localizado, neurona por neurona, un punto que se relaciona con un debate de larga data sobre cómo actúa este neuromodulador en la corteza.

La dopamina y la serotonina también desincronizaron la actividad cortical y amortiguaron las oscilaciones lentas en regiones sensoriales del cerebro. En términos simples, esa desincronización implica que el cerebro deja de “marchar en bloque” con un ritmo lento y uniforme, como suele ocurrir durante el descanso profundo. Según Newcastle University, este papel había recibido menos atención fuera de la corteza prefrontal.

La serotonina, además, mostró un rasgo distintivo al inducir oscilaciones theta más rápidas. El estudio la vinculó con una posible función aún poco explorada en el procesamiento sensorial y con una base para investigar con más detalle cómo actúan tratamientos dirigidos a este sistema.

En el caso de la dopamina, el trabajo destacó su amplitud anatómica. El equipo observó que inerva neuronas excitatorias e inhibitorias a través de todas las capas corticales, lo que sugiere un papel extendido en la regulación del estado general de la red neuronal, como si pudiera ajustar el “modo de funcionamiento” del circuito en varios niveles.

Por qué estos hallazgos pueden influir en medicina e inteligencia artificial

Los autores señalaron que las alteraciones en acetilcolina, dopamina y serotonina están detrás de trastornos neurológicos y psiquiátricos frecuentes, como Alzheimer, Parkinson, depresión y esquizofrenia. En ese marco, el estudio propuso una descripción sustentada en computación de cómo operan estos sistemas a escala de neuronas y circuitos.

Esa base podría orientar el desarrollo de estrategias terapéuticas más dirigidas y eficaces, aunque el texto aclaró que no presenta aplicaciones clínicas inmediatas. Newcastle University planteó ese aporte como una plataforma para investigaciones futuras sobre esas enfermedades, con hipótesis que podrían probarse en nuevos experimentos.

El impacto potencial también se proyectó hacia la inteligencia artificial inspirada en el cerebro. Los autores sostuvieron que sus resultados aportan principios cuantitativos de neuromodulación que podrían trasladarse a la computación neuromórfica y a nuevas arquitecturas de inteligencia artificial, con sistemas capaces de cambiar su dinámica según el contexto, en lugar de operar siempre del mismo modo.

Además de publicar los resultados, el equipo dejó accesibles los datos experimentales y el modelo computacional completo en repositorios abiertos. Esa decisión permite que otros grupos de investigación examinen, repliquen y amplíen el estudio desde el momento de su publicación, con el mismo material de base que usó el equipo original.