Actualitat

Exploradors de neurones: buscant el codi en el cervell

Article publicat a Diario Turing

La població mundial ha superat els 7.000 milions. Si comparéssim persones a neurones, necessitaríem més de catorze planetes Terra per poblar un sol cervell. No només metges, biòlegs i químics estudien el nostre òrgan més complex. La neurociència recorre també a les matemàtiques, la física o les ciències de la computació per explorar aquest fascinant univers.

Es coneix a quina zona del cervell es codifica la informació de cada àrea sensorial gràcies a mapes elaborats a partir de l’estudi de lesions o tumors que revelen on s’ubiquen habilitats determinades. Per exemple, en l’escorça auditiva primària es processa la informació auditiva i en el lòbul occipital -a la part posterior del cap- es processa la informació visual.

Se sap també que les neurones s’especialitzen. Per exemple, en el camp visual, hi ha neurones que identifiquen línies horitzontals i altres, línies verticals; altres, angles; altres, cares; altres, conceptes com a full o arbre … També es parla de les més complexes, com la ‘neurona de l’àvia’ (‘grandmother cell’), que reuniria no sols la imatge de la nostra àvia sinó la seva veu, el record d’alguna cosa que ens va regalar, el seu perfum i tot el que associem amb ella.

La investigació de dos tipus de neurones especialitzades en cartografiar la nostra posició en un cert espai conegut ha merescut aquest any el Premi Nobel de Medicina. La meitat del premi va ser per a John O’Keefe de l’University College London, per descobrir les neurones de lloc (‘plau cells‘). S’especialitzen en certes parts de l’espai -el sofà, el racó del telèfon, etc- i el cartografien com si es tractés de petits rajoles , encara que no únics, perquè cada neurona participa en mapes de diferents llocs. El seu equip les va detectar col·locant un ratolí en un espai circular. Cada vegada que passava per un lloc concret, es podia observar com s’activaven determinades neurones. Després el posaven en un laberint i en cada fragment de l’espai s’activaven certes neurones, sempre les mateixes.

L’altra meitat del premi se’n va anar a una ciutat de 180.000 habitants, a 500 quilòmetres al nord d’Oslo. El va compartir la parella formada per May-Britt i Edvard I. Moser, que dirigeixen l’Institut Kavli de Neurociència de Sistemes a Trondheim, per descobrir altres neurones encara més complexes: les que organitzen l’espai en una mena de quadrícula de tres línies a 120 graus cadascuna de les altres (‘grid cells‘).

Registrant l’activitat cerebral d’un ratolí, van observar que en passar per una intersecció concreta se li disparava una neurona determinada, codificant també l’espai però de forma diferent. Neurones que s’activen en quadrícules amb distàncies de 5 cm passen informació a altres amb distàncies de 50 centímetres. No van ser descobertes abans en part perquè no se solen utilitzar espais tan grans en els experiments.

A l’Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), al costat de l’Hospital Clínic de Barcelona, hi ha també una Àrea de Neurociència de Sistemes. Es contempla el cervell com una màquina que rep informació mitjançant els sentits i la computa, coordina i processa. Jaime de la Rocha, doctor en Física al capdavant del Grup de dinàmica de circuits corticals, ens ha obert una finestra a les seves investigacions. “Cada neurona es comunica rebent impulsos de les altres i alhora emetent altres,” explica. “N’hi ha d’excitatòries i d’inhibitòries: unes l’acosten al llindar en què ella mateixa envia un impuls i altres l’allunyen d’aquest llindar. Podem comparar la neurona a una variable matemàtica. Quan arriba a aquest llindar emet un impuls, una mena de guspira elèctrica. Després es reinicia i segueix escoltant les altres.”

Per elaborar models d’activitat neuronal, estableixen un paràmetre de temps, registren el número u quan la neurona arriba al llindar i zero quan no. “Així podem analitzar la seva activitat com un llenguatge binari,” afegeix De la Rocha, “u quan es dispara i zero quan no: zero, zero, zero, zero, zero, u, zero, zero, u, zero…”

Buscant el codi

Les neurones mai estan en silenci, s’activen contínuament de forma molt aleatòria. Cadascuna emet al voltant d’un impuls per segon. “No hi ha un patró d’activitat rítmic ni una estructura temporal clara,” explica amb paciència el neurocientífic, “però sí segueix certes regles. Parlem d’un procés estocàstic [successió de variables aleatòries]”.

Per exemple, quan escoltem un estímul sonor, música per exemple, les neurones del sistema auditiu comencen a activar-se més, a emetre més impulsos. Hi ha neurones especialitzades en tons aguts, tons greus, etc. Els codifiquen i transmeten la informació del so d’unes a altres. Aquesta seqüència temporal de zeros i uns la registra l’equip de l’IDIBAPS col·locant elèctrodes a l’àrea auditiva d’un ratolí i presentant sons per a tractar de descobrir aquesta relació abstracta entre els impulsos neuronals i els diferents sons. És l’anomenat codi neuronal, del qual coneixem algunes coses encara que en la seva major part segueix sent un enigma.

Les neurones no descansen

Tal com explica De la Rocha, mentre el ratolí té els elèctrodes connectats al cervell, l’ordinador registra els impulsos que emeten simultàniament entre deu i cent neurones pròximes entre si, mitjançant una xarxa d’elèctrodes similar a un circuit imprès elèctric. “Tot i així, és una fracció minúscula de neurones i no és fàcil desxifrar el seu codi,” afirma.

L’emissió d’impulsos de cada neurona no s’atura mai, ni tan sols quan es anestèsia a l’animal o durant les diverses fases del son. Però a diferents estímuls s’activen neurones diverses, es produeixen diferents freqüències d’emissió d’impulsos i s’estableixen connexions en xarxa diferents. Els experiments consisteixen per exemple, en emetre determinats sons més aguts o més greus seguits de conseqüències positives o negatives, i registrar com es reflecteix això.

Ara bé, l’experimentació amb animals ocupa la menor part de la investigació del Grup de dinàmica de circuits corticals. Es destina molt més temps a analitzar les dades registrades a l’ordinador per intentar trobar patrons d’emissió o relació entre les xarxes neuronals. Aquí és on la matemàtica, la física, la informàtica tenen tant a aportar. L’anàlisi de com a les xarxes neuronals s’originen diferents patrons d’emissió d’impulsos es realitza mitjançant programació amb el programari Brian Simulator. Aquest programa serveix per facilitar el desenvolupament de simulacions de xarxes de neurones, un procés habitual en l’àrea de la neurociència computacional. Escrit en Python, empra diverses llibreries científiques i de gràfics. Brian utilitza diversos mètodes d’integració i qualsevol pot instal·lar-lo en el seu ordinador per simular el comportament d’una xarxa neuronal segons els paràmetres que s’introdueixin.

A l’IDIBAPS estudien en concret com es presenta l’expectativa que alguna cosa succeirà, com les neurones conserven la memòria que alguna cosa succeirà segons una experiència anterior. Volen saber com s’emmagatzema en el codi neuronal del ratolí l’experiència de sentir una petita descàrrega després de sentir un to determinat.

El ratolí actua igual que els humans. En la nostra constant percepció de la realitat, ja sabem que succeiran moltes coses, o estem esperant que succeeixin. Integrem les nostres prediccions amb els estímuls sensorials que rebem en un procés inconscient que forma part de com interpretem la realitat.

“La nostra investigació és molt concreta,” sosté De la Rocha. “Per què el ratolí s’espanta en tornar a sentir aquest to, encara que després no es produeixi la descàrrega? Com ​​es registra aquesta associació?”

“El cervell és un univers enorme. Uns ho explorem entrant pel nord, estudiant mecanismes de comunicació neuronal, i altres entrant pel sud des de la medicina, la biologia, la química.” I conclou: “Però tots somiem amb que els resultats de la nostra investigació algun dia serveixin per curar malalties com l’esquizofrènia, l’epilèpsia o l’alzheimer.”