Logran el modelo a larga escala de cerebro mamífero más detallado hasta ahora

[P]ara darle el vamos al blog, quiero comenzar analizando un estudio que aparecerá este mes de marzo en PNAS (1) y que de seguro está dando que hablar. Corresponde a un modelo del circuito talamo-cortical humano, el cual de seguro abrirá grandes posibilidades para estudiar la dinámica cerebral. El modelo permitirá realizar experimentos a través simulaciones que de otro modo serían imposibles de llevar a cabo debido a dilemas éticos.

El modelo pertenece al Dr. Eugene Izhikevich y al premio Nobel Dr. Gerald Edelman, ambos pertenecientes a The Neurosciences Institute (ver link) de San Diego, Estados Unidos. Entre las novedades de su diseño cuenta con ser el primero en incorporar dinámica a larga escala entre múltiples regiones cerebrales, plasticidad sináptica y circuitos corticocorticales. Su estructura microscópica emula al cortex visual de gato, incorporando el detalle de sus seis capas y la presencia de neuronas excitatorias e inhibitorias y subtipos de estas de acuerdo a su morfología. Para el caso del tálamo, se incluyen núcleos específicos como no específicos y dos subtipos tanto de neuronas excitatorias como de interneuronas inhibitorias. Por su parte, el modelamiento de la anatomía macroscópica se logró con datos de cerebros humanos derivados de Imagen de Resonancia Magnética (IRM), y logró modelar la estructura de giros y surcos característicos de su neuroanatomía, además de la ubicación de los cuerpos neuronales en sus orientaciones precisas. Con el resultado se logró una densidad neuronal cercana a la animal, pero se conservaron la distancias respectivas entre regiones de acuerdo a las dimensiones de la anatomía cerebral humana.

Los resultados de las simulaciones generadas por los autores revelan dinámicas muy interesantes. En primer lugar, emergen comportamientos de la actividad cerebral normal, los cuales no están explícitamente definidos ni programados en parte alguna del modelo. Ejemplos de este fenómeno complejo lo constituye actividad de baja frecuencia de tipo delta (1-3 Hz) y alfa (~ 10 Hz) cuya predominancia espacial, notablemente, no es la misma. Esto último lo revelan análisis de espectro de poder que muestran ritmos predominantes característicos en regiones específicas de la corteza. En segundo lugar, la actividad oscilatoria además de espontánea demostró no ser uniforme, sino en forma de ondas propagativas autogeneradas que aparacían y desaparecían en distintas regiones del cortex y que eran muy similares a las encontradas in vitro e in vivo en animales anesteciados. Tercero, el modelo mostró que la actividad de cada neurona cuenta. Esto en complejidad se conoce como comportamiento caótico, y corresponde a la sensibilidad extrema a las variaciones en condiciones iniciales de un sistema. Esto se pudo observar al añadir o retirar tan sólo una descarga neuronal, gatillándose una cascada de actividad que se manifestó finalmente en una reorganización completa del comportamiento global de la red, en menos de medio segundo.

Finalmente y según los autores, el desarrollo y mejoramiento de este tipo de modelo cerebral, podría permitir la simulación de lesiones o tumores y su efecto en la dinámica global del cerebro, y compararla con resultados obtenidos en pacientes reales. También posibilitaría el estudio de efectos farmacológicos de drogas en la dinámica global, o estudiar como la conectividad en si misma modifica la dinámica cerebral, y aportar al desarrollo de nuevas terapias en el área de la clínica.

Referencia

(1) Izhikevich E.M and Edelman G.M (2008). Large Scale Model of Mammalian Thalamocortical Systems. PNAS 105: 3593-3598