MADRID, 14 Jul. (EUROPA PRESS) -
Un equipo de neurocientíficos de la Fundación Champalimaud, en Portugal, ha arrojado luz sobre el "reloj interno" del cerebro manipulando la temperatura de una región cerebral específica. Este estudio allana el camino hacia una comprensión más profunda no sólo de la percepción del tiempo, sino también de cómo nuestro cerebro procesa y coordina las acciones, según publican en la revista 'Nature Neuroscience'.
En el nuevo trabajo los científicos ralentizaron o aceleraron artificialmente patrones de actividad neuronal en ratas, deformando su percepción de la duración del tiempo y aportando la prueba causal más convincente hasta la fecha de cómo el mecanismo de relojería interno del cerebro guía el comportamiento.
A diferencia de los relojes circadianos, más conocidos, que rigen nuestros ritmos biológicos de 24 horas y determinan nuestra vida cotidiana, desde los ciclos de sueño y vigilia hasta el metabolismo, se sabe mucho menos sobre cómo mide el cuerpo el tiempo en la escala de segundos a minutos.
El estudio se centró precisamente en esta escala temporal de segundos a minutos en la que se desarrolla gran parte de nuestro comportamiento, ya sea esperar en un semáforo o servir una pelota de tenis.
A diferencia del tictac exacto del reloj centralizado de un ordenador, nuestros cerebros mantienen un sentido del tiempo descentralizado y flexible, que se cree que está conformado por la dinámica de redes neuronales dispersas por el cerebro. Según esta hipótesis del "reloj de población", nuestros cerebros mantienen el tiempo basándose en patrones coherentes de actividad que evolucionan en grupos de neuronas durante el comportamiento.
Joe Paton, autor principal del estudio, lo compara con dejar caer una piedra en un estanque. "Cada vez que se deja caer una piedra, se crean ondas que irradian hacia la superficie siguiendo un patrón repetitivo. Examinando los patrones y las posiciones de estas ondas, se puede deducir cuándo y dónde se dejó caer la piedra en el agua".
"Al igual que puede variar la velocidad a la que se mueven las ondas, también puede variar el ritmo al que progresan estos patrones de actividad en las poblaciones neuronales --añade--. Nuestro laboratorio fue uno de los primeros en demostrar una estrecha correlación entre la rapidez o lentitud con que evolucionan estas ondulaciones neuronales y las decisiones que dependen del tiempo".
Los investigadores entrenaron a ratas para distinguir entre distintos intervalos de tiempo. Descubrieron que la actividad en el cuerpo estriado, una región profunda del cerebro, sigue patrones predecibles que cambian a distintas velocidades: cuando los animales informan de que un determinado intervalo de tiempo es más largo, la actividad evoluciona más rápidamente, y cuando lo informan de que es más corto, la actividad evoluciona más lentamente.
Sin embargo, la correlación no implica causalidad. "Queríamos comprobar si la variabilidad en la velocidad de la dinámica de la población estriatal simplemente se correlaciona con el comportamiento temporal o lo regula directamente --explica--. Para ello, necesitábamos una forma de manipular experimentalmente esta dinámica a medida que los animales comunicaban sus juicios sobre el tiempo".
Para establecer la causalidad, el equipo recurrió a una técnica de la vieja escuela en la caja de herramientas de los neurocientíficos: la temperatura.
"La temperatura se ha utilizado en estudios anteriores para manipular la dinámica temporal de comportamientos, como el canto de los pájaros --explica Tiago Monteiro, uno de los autores principales del estudio--. Enfriar una región específica del cerebro ralentiza el canto, mientras que calentarlo lo acelera, sin alterar su estructura".
"Es como cambiar el tempo de una pieza musical sin afectar a las notas. Pensamos que la temperatura podría ser ideal, ya que potencialmente nos permitiría cambiar la velocidad de la dinámica neuronal sin alterar su patrón", indica.
Para probar esta herramienta en ratas, desarrollaron un dispositivo termoeléctrico a medida para calentar o enfriar focalmente el cuerpo estriado, al tiempo que se registraba la actividad neuronal. En estos experimentos, las ratas estaban anestesiadas, por lo que los investigadores emplearon la optogenética --una técnica que utiliza la luz para estimular células específicas-- para crear ondas de actividad en el estriado, que de otro modo estaría inactivo, de forma parecida a cuando se deja caer la piedra en el estanque.
Según explica Margarida Pexirra, coautora principal del estudio, descubrieron que, efectivamente, el enfriamiento dilataba el patrón de actividad, mientras que el calentamiento lo contraía, sin perturbar el patrón en sí.
"La temperatura nos dio entonces un mando con el que estirar o contraer la actividad neuronal en el tiempo, así que aplicamos esta manipulación en el contexto del comportamiento", dice Filipe Rodrigues, otro de los autores principales del estudio.
"Sorprendentemente --añade Paton--, aunque el cuerpo estriado coordina el control motor, ralentizar o acelerar sus patrones de actividad no ralentiza ni acelera los movimientos de los animales en la tarea. Esto nos hizo reflexionar sobre la naturaleza del control del comportamiento en general".
Según apunta, "incluso los organismos más simples se enfrentan a dos retos fundamentales a la hora de controlar el movimiento. En primer lugar, tienen que elegir entre distintas acciones potenciales, por ejemplo, si avanzar o retroceder. En segundo lugar, una vez elegida la acción, deben ser capaces de ajustarla y controlarla continuamente para asegurarse de que se lleva a cabo con eficacia. Estos problemas básicos se aplican a todo tipo de organismos, desde gusanos a seres humanos".
Los hallazgos del equipo indican que el cuerpo estriado es fundamental para resolver el primer reto --determinar "qué" hacer y "cuándo"--, mientras que el segundo, "cómo" controlar el movimiento en curso, se deja en manos de otras estructuras cerebrales.
En un estudio separado, el equipo explora ahora el cerebelo, que alberga más de la mitad de las neuronas del cerebro y está asociado a la ejecución continua, momento a momento, de nuestras acciones. "Curiosamente --revela Paton--, nuestros datos preliminares muestran que aplicar manipulaciones de temperatura al cerebelo, a diferencia del estriado, sí afecta al control continuo del movimiento".
Como señala Paton, "se puede ver esta división del trabajo entre los dos sistemas cerebrales en trastornos del movimiento como el Parkinson y la ataxia cerebelosa". El Parkinson, una enfermedad que afecta al cuerpo estriado, suele dificultar la capacidad de los pacientes para iniciar planes motores, como caminar. Sin embargo, proporcionar señales sensoriales, como líneas de cinta adhesiva en el suelo, puede facilitar la marcha.
Es probable que estas señales activen otras regiones cerebrales, como el cerebelo y el córtex, que siguen intactas y pueden gestionar eficazmente el movimiento continuo. Por el contrario, los pacientes con daño cerebeloso tienen dificultades para ejecutar movimientos suaves y coordinados, pero no necesariamente para iniciar un movimiento o pasar de un movimiento a otro.
Al proporcionar nuevos conocimientos sobre la relación causal entre la actividad neuronal y la función temporal, los resultados del equipo pueden avanzar en el desarrollo de nuevas dianas terapéuticas para enfermedades debilitantes como el Parkinson y el Huntington, que implican síntomas relacionados con el tiempo y un estriado comprometido. Además, al poner de relieve un papel más específico del cuerpo estriado en el control motor discreto, en contraposición al continuo, los resultados también podrían influir en los marcos algorítmicos utilizados en robótica y aprendizaje.
