Audición en lugar de visión: reconfigurar las neuronas cerebrales para adaptarse a la oscuridad

Los humanos, como muchos otros animales en el planeta, se consideran principalmente criaturas diurnas. Casi todos los sistemas de nuestro cuerpo están sintonizados para la actividad durante el día y para descansar durante la noche. El regulador más importante de cuándo dormimos y cuándo nos mantenemos despiertos es nuestro cerebro. También es responsable de procesar la información recibida a través de los sentidos. La precisión de esta información depende de las circunstancias en que se recibió y cómo la interpretamos: en el crepúsculo hay una percha en la que cuelga un abrigo, y nuestro cerebro nos dice: "este es un monstruo que nos comerá ahora". Sin embargo, bajo ciertas circunstancias, algunas señales pueden compensar las desventajas de otras.

Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que científicos de la Universidad de Maryland (EE. UU.) Colocaron ratones de laboratorio en la oscuridad total durante toda una semana. ¿Cómo cambió el comportamiento de los ratones durante el experimento, qué cambios tuvieron en las redes neuronales del cerebro y qué conclusiones sacaron los científicos de sus observaciones? El informe de los investigadores arrojará luz sobre estas preguntas. Vamos

Base de estudio

Todos sabemos que cuando pasamos de una habitación bien iluminada a una oscura, nuestra visión necesita adaptarse un poco. Este proceso se llama bastante prosaico: adaptación de los ojos. Cuando entramos en una habitación poco iluminada, nuestros ojos comienzan a entrar en pánico para adaptarse a las nuevas condiciones, después de lo cual este proceso se ralentiza. Si cierra los ojos durante un par de minutos antes de entrar en la oscuridad, la adaptación continuará mejor y más lentamente. Existe la opinión de que fue por esta razón que los piratas tenían una venda en un ojo: cuando entraron en la bodega del barco, donde la iluminación no era la mejor, cambiaron la venda en el otro ojo, cerrando así la información mejor percibida. Parece ser cierto, pero puede ser un simple cuento de hadas.

Sin embargo, además de la visión, hay otros sentimientos, incluido el oído. A menudo escuchamos que las personas ciegas supuestamente escuchan mejor. También se cree que la plasticidad sensorial dentro de una modalidad * está más desarrollada en niños, sin embargo, incluso en adultos, se puede desarrollar plasticidad intermodal.

Modalidad * : la pertenencia de una determinada señal a un determinado sistema de sensores. Existen tales tipos de modalidad: visual, auditiva, dolorosa, kinestésica, etc.

En el caso de la plasticidad intermodal, las neuronas cerebrales se reorganizan de tal manera que combinan las funciones de dos o más sistemas. Este fenómeno a menudo ocurre en el contexto de la privación sensorial (deterioro) de un sistema particular debido a un trauma o enfermedad. La reorganización neural más pronunciada está presente en personas que han sido ciegas o sordas desde su nacimiento. Es decir, cuanto más larga sea la privación, más fuerte será la plasticidad intermodal.

En otras palabras, la pérdida de la modalidad sensorial puede ser compensada por la plasticidad en otros sentimientos. Estudios anteriores han demostrado que las personas ciegas desde el nacimiento perciben las señales de sonido mucho mejor, la ubicación de sus fuentes (localización de los sonidos) y las características de frecuencia. Obviamente, tales cambios están más desarrollados en casos de defectos sensoriales congénitos. Sin embargo, incluso en adultos de varias especies, la plasticidad sensorial y multimodal puede desarrollarse debido a cambios ambientales.

Por ejemplo, los períodos cortos de privación visual en roedores a nivel celular aumentan la selectividad de frecuencia en la corteza auditiva (A1), al tiempo que reducen el valor umbral y aumentan la tasa de transmisión de los impulsos por las neuronas L4 ( capa 4 de ese receptor ) de la corteza auditiva. Cambios similares a nivel celular son el resultado de cambios en los circuitos neuronales. El efecto de la oscuridad conduce a un aumento de las señales entrantes talámicas en L4, conexiones intracorticales ascendentes desde las neuronas L4 a las neuronas L2 / 3 (capa 2/3 de thalamorecipient), así como al fortalecimiento de los enlaces intracapa excitadores e inhibidores dentro de L2 / 3, conexiones ascendentes entre capas desde L4 a L2 / 3 y conexiones de retroalimentación de L2 / 3 a L4.

Sin embargo, los estímulos sensoriales se convierten en información no por neuronas individuales, sino por sus grupos (poblaciones). Por lo tanto, un cambio en la conexión entre las neuronas dentro de tales poblaciones puede tener un efecto directo en la formación de información a partir de las señales entrantes.

Dado que la percepción de las frecuencias de sonido varía entre L4 y L2 / 3, los científicos decidieron verificar si los efectos temporales de la oscuridad en personas de edad madura pueden reestructurar las neuronas y su conexión entre ellas dentro de la corteza auditiva del cerebro del ratón de laboratorio. Se utilizaron imágenes de calcio de dos fotones (Ca ²⁺ ) para observar el proceso de cambios en el cerebro. Se midió la actividad inducida por el sonido de las neuronas L2 / 3 y L4, mostrando la presencia de una mayor selectividad de frecuencia.


Imagen No. 1: imágenes de dos fotones de calcio (Ca ²⁺ ) de neuronas en A1 en ratones.

Los ratones experimentales fueron ratones de laboratorio, que se dividieron aleatoriamente en dos grupos: control (vivía bajo iluminación normal, 9 individuos) y prueba (vivía en la oscuridad, 6 individuos). Permanecer en la oscuridad (DE - exposición oscura) fue relativamente de corta duración: 1 semana ( 1A ).


Tabla No. 1: la obtención de imágenes de calcio nos permitió obtener una imagen de la actividad de cientos de neuronas en cada una de las capas de la corteza auditiva.

Los científicos también señalan que estudios anteriores han demostrado que la DE no causa ningún cambio en las propiedades de la permeabilidad celular interna ( 1C ). Esto es extremadamente importante porque se usó el indicador de calcio GCaMP6 ( 1V ) durante la obtención de imágenes.

Para caracterizar la actividad de las neuronas individuales en ratones de los grupos de control y prueba, se visualizó un gráfico de 300 × 300 μm en las capas L2 / 3 y L4 en el momento de la exposición al sonido (tono puro) 4–64 kHz, 60 dB ( 1D ). Primero, se identificaron las células que respondieron a estos estímulos. Una célula que al menos ha reaccionado de alguna manera se clasifica como "receptiva". Después de la exposición a la oscuridad, la proporción de células reaccionantes en L4 no cambió, pero en L2 / 3 menos células respondieron al estímulo ( 1E ), lo que indica la dispersión (un aumento en los intervalos entre algo) de las respuestas corticales en las capas granulares.

El registro de unidades individuales * mostró que las células L4 en ratones del grupo de prueba tienen una mayor frecuencia neuronal espontánea e inducida por la oscuridad (actividad neuronal).

Registro de unidades individuales * : un método para medir la reacción electrofisiológica de una neurona individual utilizando un microelectrodo.

Se decidió además averiguar si existen cambios similares a nivel de células individuales en la capa L2 / 3. Para evaluar la actividad espontánea de las neuronas (SD) que expresan GCaMP6 de ratón, se midieron los procesos de fluorescencia transitoria que precedieron al inicio del estímulo y durante la imagen prolongada sin ningún estímulo.

Después de permanecer en la oscuridad, la actividad espontánea de las neuronas aumentó tanto en L4 como en L2 / 3 ( 1F ).

Una disminución en la sensibilidad tonal puede estar asociada con un cambio en la sintonización de frecuencia de las neuronas en la corteza auditiva. Registros anteriores de microelectrodos mostraron que las células L4 en los ratones del grupo de prueba tienen una mayor selectividad de frecuencia, y dado que L2 / 3 recibe información de L4, los mismos cambios pueden estar presentes en L2 / 3. Después de esto, se crearon curvas de sintonización para cada celda sensible en función de la respuesta máxima causada por la reproducción de sonidos ( 2A ).


Imagen No. 2: permanecer en la oscuridad aumenta la sensibilidad y la selectividad de frecuencia de las neuronas tanto en L4 como en L2 / 3.

Primero, la amplitud de las respuestas evocadas se midió a la mejor frecuencia (BF, es decir, frecuencia de pico en la curva). La amplitud de la respuesta después de la exposición a la oscuridad aumentó tanto en las neuronas L4 como en las neuronas L2 / 3, sin embargo, fue en L4 que fue más grande ( 2B ). Esta observación es totalmente coherente con los registros electrofisiológicos y un aumento de los aferentes talamocorticales * a L4.

Resonancia talamocortical * : el fenómeno de la oscilación sincrónica (activación simultánea periódica de poblaciones individuales de neuronas) de neuronas de varios núcleos del tálamo y áreas relacionadas de la corteza cerebral.

Aferente * es una neurona que transmite impulsos desde los receptores al cerebro o la médula espinal.

A continuación, evaluamos la selectividad de frecuencia de las células en ratones de los grupos de prueba y control. El análisis mostró que el ancho de banda de las neuronas L4 y L2 / 3 después de la exposición a la oscuridad fue menor que en los animales del grupo de control ( 2C ).

La totalidad de estas observaciones sugiere que, a nivel de una célula individual, los cambios después de la oscuridad son los mismos en L4 y L2 / 3, excepto que las amplitudes de respuesta en L4 aumentan después de la oscuridad, pero no en L2 / 3.

Por lo tanto, después de cierto tiempo, la exposición a la oscuridad puede conducir a cambios en las respuestas inducidas por el sonido de las neuronas de la corteza auditiva tanto en L4 como en L2 / 3. Pero en L4, estos cambios seguirán siendo más significativos que en L2 / 3. Aunque menos células reaccionaron a los sonidos después de la exposición a la oscuridad, las que respondieron en A1 se volvieron más sensibles y selectivas al sonido. En otras palabras, en la oscuridad, las neuronas de la corteza auditiva actúan según el principio de "calidad, no cantidad", ya que el número de células sensibles disminuye, pero su actividad aumenta.


Imagen 3: la exposición a la oscuridad cambia la distribución de la selectividad de frecuencia en la corteza auditiva.

Los datos de observación muestran que las células sensibles al tono en la corteza auditiva L4 muestran una mayor amplitud de respuestas, y las células en ambas capas A1 mostraron una mayor selectividad del sonido después de la exposición a la oscuridad. Sin embargo, estos cambios a nivel de células individuales no explican por qué, después de la exposición a la oscuridad, hay menos neuronas reactivas en L2 / 3. Las neuronas en las capas corticales sensoriales pueden ajustar su ajuste en función de los factores de comportamiento. Además, la experiencia sensorial temprana puede cambiar el área de la corteza auditiva, que responde a sonidos de cierta frecuencia. Con base en esta información, los científicos sugirieron que las poblaciones neuronales individuales cambiaron sus preferencias por los estímulos externos.

Para probar esta hipótesis, los científicos estudiaron la distribución de frecuencias preferidas para poblaciones de neuronas en ratones de los grupos de prueba y control.

Los ratones del grupo de control "preferían" las frecuencias en el rango de 4 a 64 kHz, mientras que la mayoría de las neuronas preferían los sonidos en el rango de 8 a 32 kHz. Pero los ratones del grupo de prueba reaccionaron más activamente a las altas frecuencias en el rango de 32-64 kHz ( 3B ).

Se observó un aumento en el número de células más sensibles a las frecuencias altas (32–64 kHz) en la capa L2 / 3, y las más bajas (4–8 kHz) en la capa L4. En ambas capas, se observó una disminución en la percepción de frecuencias medias en el rango de 8-16 kHz ( 3A ).

Como saben, los estímulos sensoriales están codificados no solo por neuronas individuales, sino también por poblaciones de neuronas. La correlación de la actividad entre las neuronas, a su vez, contribuye al proceso de codificación de la información. Tanto en L4 como en L2 / 3, las células adyacentes exhiben una alta correlación de señales (SC), que reflejan la actividad correlacionada impulsada por el estímulo. También hay correlaciones de pares (NC), que representan la covarianza independiente del estímulo entre experimentos.

Los científicos han sugerido que mejorar la capa intermedia funcional y los enlaces intralaminares después de la exposición a la oscuridad puede conducir a una disminución en la correlación de pares. Por lo tanto, NC nos permitirá estudiar los cambios en el nivel de actividad correlacionada entre las neuronas en L4 y L2 / 3 después de la exposición a la oscuridad.


Imagen No. 4: disminución de NC en la capa L4 debido al efecto de la oscuridad.

El efecto de la oscuridad condujo a una disminución en NC y SC entre las células de la capa L4. Sin embargo, en la capa L2 / 3, los CN se mantuvieron prácticamente sin cambios ( 5A ).


Imagen No. 5: reducción de NC en la capa L2 / 3 debido al efecto de la oscuridad.

La oscuridad condujo a una disminución de la SC entre las neuronas en L2 / 3 ( 5B ). De esto se deduce que la oscuridad cambia no solo la configuración de las neuronas individuales, sino su interconexión entre sí tanto en la capa L2 / 3 como en la L4.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .

Epílogo

Los ratones que permanecieron en la oscuridad durante una semana mostraron una actividad neuronal completamente diferente a los ratones que vivían bajo iluminación normal. Las neuronas de la corteza auditiva de los ratones del grupo de prueba se reconfiguraron a sí mismas y las conexiones entre sí para una percepción más precisa de las frecuencias altas y bajas, al tiempo que sacrificaron la percepción de las medias. Los científicos mismos aún no pueden explicar con precisión tal selectividad. Sugieren que esto puede deberse a lo que los ratones querían escuchar mejor: sus pasos, sonidos de otros ratones, etc.

Es importante tener en cuenta que los ratones experimentales estaban sanos, es decir. su vista era absolutamente normal desde el nacimiento. Anteriormente se suponía que dichos cambios en la actividad neuronal tienen más probabilidades de ocurrir exclusivamente en aquellos que, desde el nacimiento (o desde una edad temprana), sufren algún tipo de disfunción sensorial. Sin embargo, resultó que incluso el cerebro adulto puede cambiar, adaptándose a las condiciones ambientales.

En el futuro, los científicos planean expandir su investigación agregando manipulación de los sonidos que escucharán los ratones. Esto le permitirá determinar con mayor precisión exactamente qué sonidos y en qué medida los ratones reaccionan en la oscuridad.

Este estudio no solo satisface la curiosidad banal de los científicos, sino que también puede ser extremadamente útil para las personas con discapacidad auditiva. En particular, este trabajo puede simplificar el proceso de adaptación de las personas con discapacidad auditiva a los audífonos e implantes cocleares.

La estructura, que consta de miles de millones de bloques capaces de actuar tanto por separado como juntos, no se puede describir y explicar completamente en un estudio. Nuestro cerebro es tal sistema. Al mismo tiempo, con cada nueva investigación aprenderemos más y más información valiosa sobre nuestro órgano más importante, cuyo misterio es comparable a las extensiones desconocidas del universo.



Gracias por mirar, mantén la curiosidad y que tengan un gran fin de semana, muchachos. :)

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