Los investigadores han descubierto los mecanismos cerebrales clave para organizar los recuerdos en el tiempo.
El nuevo estudio detalla el descubrimiento de los mecanismos fundamentales por los cuales la región del hipocampo del cerebro organiza los recuerdos en secuencias y cómo esto puede usarse para planificar el comportamiento futuro.
El hallazgo puede ser un primer paso crítico hacia la comprensión de las fallas de memoria en los trastornos cognitivos como la enfermedad de Alzheimer y otras formas de demencia.
Combinando técnicas de registro electrofisiológico en roedores con un análisis de aprendizaje automático estadístico de grandes cantidades de datos, los investigadores descubrieron evidencia que sugiere que el hipocampo La red codifica y conserva progresiones de experiencias para ayudar en la toma de decisiones.
“Nuestro cerebro mantiene un registro bastante bueno de cuándo ocurren experiencias o eventos específicos. Esta capacidad nos ayuda a funcionar en nuestra vida diaria, pero antes de este estudio, no teníamos una idea clara de los mecanismos neuronales detrás de estos procesos”, dice el autor correspondiente Norbert Fortin, profesor asociado de neurobiología y comportamiento en la Universidad de California. Irvine.
“Donde se conecta con todos es que este tipo de memoria se ve muy afectada en una variedad de trastornos neurológicos o simplemente con el envejecimiento, por lo que realmente necesitamos saber cómo funciona esta función cerebral”.
El proyecto, que tardó más de tres años en completarse, involucró fases experimentales y de análisis de datos. Los investigadores monitorearon la activación de las neuronas en los cerebros de las ratas mientras se sometían a una serie de pruebas de identificación de olores. Al presentar cinco diferentes Huele en varias secuencias, los científicos pudieron medir la memoria de los animales de la secuencia correcta y detectar cómo sus cerebros capturaron estas relaciones secuenciales.
“La analogía en la que pensaría es la informática”, dice Fortin. “Si tuviera que poner electrodos en tu cerebro, no podemos; por eso usamos ratas: podía ver qué células se disparaban y cuáles no en un momento dado. Eso nos proporciona una idea de cómo el cerebro representa y calcula la información. Cuando registramos patrones de actividad en una estructura, es como si estuviéramos viendo ceros y unos en una computadora”.
Obtenidas en intervalos de milisegundos durante varios minutos, las mediciones de actividad e inactividad neuronal presentan una imagen dinámica del funcionamiento del cerebro. Fortin dice que él y sus colegas fueron, de alguna manera, capaces de "leer la mente" de sus sujetos al ver la "codificación" de las células, cuáles estaban disparando y cuáles no, en rápida sucesión.
Moviéndose rápidamente
“Cuando estás pensando en algo, se mueve rápidamente”, dice. “No estás atrapado en ese recuerdo por mucho tiempo. En este momento, se está representando, pero podemos ver cómo eso cambia muy rápidamente”.
Fortin supo desde el principio que las lecturas de la actividad del hipocampo darían como resultado enormes cantidades de datos sin procesar. Desde las etapas iniciales del proyecto, contó con la participación de estadísticos en la Escuela de Información y Ciencias de la Computación Donald Bren.
“Las preguntas de neurociencia que teníamos en ese momento en mi laboratorio eran demasiado avanzadas para el conocimiento estadístico que teníamos. Es por eso que necesitábamos involucrar a socios con experiencia en ciencia de datos”, dice Fortin.
“Estos estudios de neurociencia emergentes se basan en métodos de ciencia de datos debido a la complejidad de sus datos”, dice el coautor principal Babak Shahbaba, profesor de estadística. “Las actividades cerebrales se registran a una escala de milisegundos, y estos experimentos duran más de una hora, por lo que pueden imaginar lo rápido que crece la cantidad de datos. Llega un punto en que los neurocientíficos necesitan técnicas más avanzadas para lograr lo que habían imaginado pero que no pudieron implementar”.
Señala que cuando las neuronas codifican información como los recuerdos, los científicos pueden vislumbrar ese proceso al examinar el patrón de actividad de picos en todas las neuronas registradas, conocidas colectivamente como un conjunto.
“Descubrimos que podíamos tratar estos patrones neuronales como imágenes, y esto desbloqueó nuestra capacidad de aplicar métodos de aprendizaje automático profundo”, dice Shahbaba. “Analizamos los datos con una red neuronal convolucional, que es una metodología utilizada con frecuencia en aplicaciones de procesamiento de imágenes como el reconocimiento facial”.
De esta manera, los investigadores pudieron decodificar el disparo de las neuronas para recuperar información.
“Sabemos cómo se ve la firma del olor B, al igual que conocemos las de A, C y D”, dice Fortin. “Debido a eso, puedes ver cuándo reaparecen esas firmas en un momento diferente en el tiempo, como cuando nuestros sujetos anticipan algo que aún no ha sucedido. Estamos viendo que estas firmas se reproducen rápidamente mientras piensan en el futuro”.
Shahbaba dice que las herramientas y metodologías desarrolladas durante este proyecto se pueden aplicar a una amplia gama de problemas, y Fortin puede extender su línea de investigación a otras regiones del cerebro.
Acerca de los autores
El trabajo aparece en Nature Communications.
La financiación provino de los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Whitehall.
Fuente: UC Irvine
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