Estudio revela un patrón universal de frecuencias de ondas cerebrales | Noticias del MIT

A lo largo de la corteza cerebral, las neuronas están dispuestas en seis capas distintivas, que pueden verse fácilmente con un microscopio. Un equipo de neurocientíficos del MIT y la Universidad de Vanderbilt ha descubierto que estas capas también muestran distintos patrones de actividad eléctrica, que son consistentes en muchas regiones del cerebro y en varias especies animales, incluidos los humanos.

Los investigadores descubrieron que en las capas superiores, la actividad neuronal está dominada por rápidas oscilaciones conocidas como ondas gamma. En las capas más profundas predominan oscilaciones más lentas llamadas ondas alfa y beta. Según los investigadores, la universalidad de estos patrones sugiere que estas oscilaciones probablemente estén desempeñando un papel importante en todo el cerebro.

"Cuando ves algo tan consistente y ubicuo en la corteza, está desempeñando un papel muy fundamental en lo que hace la corteza", dice Earl Miller, profesor Picower de Neurociencia, miembro del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT y uno de los autores principales del nuevo estudio.

Según los investigadores, los desequilibrios en la forma en que estas oscilaciones interactúan entre sí pueden estar involucrados en trastornos cerebrales como el trastorno por déficit de atención con hiperactividad.

“Se sabe que la actividad neuronal excesivamente sincrónica desempeña un papel en la epilepsia, y ahora sospechamos que diferentes patologías de sincronía pueden contribuir a muchos trastornos cerebrales, incluidos trastornos de percepción, atención, memoria y control motor. En una orquesta, un instrumento tocado fuera de sincronía con el resto puede alterar la coherencia de toda la pieza musical”, afirma Robert Desimone, director del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT y uno de los autores principales del estudio.

André Bastos, profesor asistente de psicología en la Universidad de Vanderbilt, también es autor principal del artículo de acceso abierto, que aparece hoy en Neurociencia de la naturaleza. Los autores principales del artículo son el científico investigador del MIT Diego Mendoza-Halliday y el postdoctorado del MIT Alex Major.

Capas de actividad

El cerebro humano contiene miles de millones de neuronas, cada una de las cuales tiene sus propios patrones de activación eléctrica. Juntas, grupos de neuronas con patrones similares generan oscilaciones de actividad eléctrica u ondas cerebrales, que pueden tener diferentes frecuencias. El laboratorio de Miller tiene mostrado anteriormente que los ritmos gamma de alta frecuencia están asociados con la codificación y recuperación de información sensorial, mientras que los ritmos beta de baja frecuencia actúan como un mecanismo de control que determina qué información se lee de la memoria de trabajo.

Su laboratorio también ha descubierto que en ciertas partes de la corteza prefrontal, diferentes capas del cerebro muestran patrones distintivos de oscilación: una oscilación más rápida en la superficie y una oscilación más lenta en las capas profundas. Uno estudiardirigido por Bastos cuando era postdoctorado en el laboratorio de Miller, demostró que a medida que los animales realizaban tareas de memoria de trabajo, los ritmos de baja frecuencia generados en capas más profundas regulaban los ritmos gamma de mayor frecuencia generados en las capas superficiales.

Además de la memoria de trabajo, la corteza cerebral también es la sede del pensamiento, la planificación y el procesamiento de alto nivel de las emociones y la información sensorial. En todas las regiones involucradas en estas funciones, las neuronas están dispuestas en seis capas, y cada capa tiene su propia combinación distintiva de tipos de células y conexiones con otras áreas del cerebro.

"La corteza está organizada anatómicamente en seis capas, sin importar si nos fijamos en ratones, humanos o cualquier especie de mamífero, y este patrón está presente en todas las áreas corticales dentro de cada especie", dice Mendoza-Halliday. "Desafortunadamente, muchos estudios sobre la actividad cerebral han ignorado esas capas porque cuando se registra la actividad de las neuronas, ha sido difícil entender dónde se encuentran en el contexto de esas capas".

En el nuevo artículo, los investigadores querían explorar si el patrón de oscilación en capas que habían observado en la corteza prefrontal está más extendido y ocurre en diferentes partes de la corteza y entre especies.

Utilizando una combinación de datos adquiridos en el laboratorio de Miller, el laboratorio de Desimone y los laboratorios de colaboradores de Vanderbilt, el Instituto Holandés de Neurociencia y la Universidad de Western Ontario, los investigadores pudieron analizar 14 áreas diferentes de la corteza, de cuatro especies de mamíferos. . Estos datos incluyeron registros de la actividad eléctrica de tres pacientes humanos a quienes se les insertaron electrodos en el cerebro como parte de un procedimiento quirúrgico al que se estaban sometiendo.

La grabación de capas corticales individuales ha sido difícil en el pasado, porque cada capa tiene menos de un milímetro de espesor, por lo que es difícil saber desde qué capa está grabando un electrodo. Para este estudio, la actividad eléctrica se registró utilizando electrodos especiales que registran todas las capas a la vez y luego introducen los datos en un nuevo algoritmo computacional que diseñaron los autores, denominado FLIP (procedimiento de identificación de capas basado en frecuencia). Este algoritmo puede determinar de qué capa proviene cada señal.

“La tecnología más reciente permite registrar todas las capas de la corteza simultáneamente. Esto ofrece una perspectiva más amplia de los microcircuitos y nos permitió observar este patrón en capas”, dice Major. “Este trabajo es apasionante porque proporciona información sobre un patrón de microcircuito fundamental y proporciona una nueva técnica sólida para estudiar el cerebro. No importa si el cerebro está realizando una tarea o en reposo y puede observarse en tan solo cinco a 10 segundos”.

En todas las especies, en cada región estudiada, los investigadores encontraron el mismo patrón de actividad en capas.

“Hicimos un análisis masivo de todos los datos para ver si podíamos encontrar el mismo patrón en todas las áreas de la corteza, y listo, estaba en todas partes. Eso fue una indicación real de que lo que se había observado previamente en un par de áreas representaba un mecanismo fundamental en toda la corteza”, dice Mendoza-Halliday.

Mantener el equilibrio

Los hallazgos apoyan una modelo que el laboratorio de Miller ha propuesto anteriormente, que propone que la organización espacial del cerebro le ayuda a incorporar nueva información, transportada por oscilaciones de alta frecuencia, en recuerdos y procesos cerebrales existentes, que se mantienen mediante oscilaciones de baja frecuencia. A medida que la información pasa de una capa a otra, se pueden incorporar entradas según sea necesario para ayudar al cerebro a realizar tareas particulares, como hornear una nueva receta de galletas o recordar un número de teléfono.

"La consecuencia de una separación laminar de estas frecuencias, como observamos, puede ser permitir que las capas superficiales representen información sensorial externa con frecuencias más rápidas, y que las capas profundas representen estados cognitivos internos con frecuencias más lentas", dice Bastos. "La implicación de alto nivel es que la corteza tiene múltiples mecanismos que involucran tanto la anatomía como las oscilaciones para separar la información 'externa' de la 'interna'".

Según esta teoría, los desequilibrios entre las oscilaciones de alta y baja frecuencia pueden provocar déficits de atención como el TDAH, cuando dominan las frecuencias más altas y entra demasiada información sensorial, o trastornos delirantes como la esquizofrenia, cuando las oscilaciones de baja frecuencia son demasiado altas. La información sensorial es fuerte y no llega suficiente.

"El equilibrio adecuado entre las señales de control de arriba hacia abajo y las señales sensoriales de abajo hacia arriba es importante para todo lo que hace la corteza", dice Miller. "Cuando el equilibrio se desequilibra, se produce una amplia variedad de trastornos neuropsiquiátricos".

Los investigadores ahora están explorando si medir estas oscilaciones podría ayudar a diagnosticar este tipo de trastornos. También están investigando si reequilibrar las oscilaciones podría alterar el comportamiento, un enfoque que algún día podría usarse para tratar los déficits de atención u otros trastornos neurológicos, dicen los investigadores.

Los investigadores también esperan trabajar con otros laboratorios para caracterizar los patrones de oscilación en capas con más detalle en diferentes regiones del cerebro.

“Nuestra esperanza es que con suficientes informes estandarizados, comencemos a ver patrones comunes de actividad en diferentes áreas o funciones que podrían revelar un mecanismo común de cálculo que pueda usarse para resultados motores, visión, memoria y atención. etcétera”, dice Mendoza-Halliday.

La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU., el Instituto Nacional del Ojo de EE. UU., el Instituto Nacional de Salud Mental de EE. UU., el Instituto Picower, una beca posdoctoral del Centro Simons para el Cerebro Social y un canadiense. Beca postdoctoral de Institutos de Salud.