En los seres humanos, el proceso de aprendizaje está impulsado por diferentes grupos de células del cerebro que se activan en conjunto. Por ejemplo, cuando las neuronas asociadas con el proceso de reconocer a un perro comienzan a activarse de manera coordinada en respuesta a las células que codifican las características de un perro (cuatro patas, pelaje, cola, etc.), un niño pequeño acabará siendo capaz de identificar perros en el futuro. Pero el cableado cerebral comienza antes de que los seres humanos nazcan, antes de que tengan experiencias o sentidos como la vista que guíen este circuito celular. ¿Cómo sucede eso?
En un nuevo estudio publicado el 15 de agosto en CienciaLos investigadores de Yale identificaron cómo las células cerebrales comienzan a unirse en esta red de cables en el desarrollo temprano, antes de que la experiencia tenga la oportunidad de dar forma al cerebro. Resulta que el desarrollo muy temprano sigue las mismas reglas que el desarrollo posterior: las células que se activan juntas se conectan entre sí. Pero en lugar de que la experiencia sea la fuerza impulsora, es la actividad celular espontánea.
«Una de las preguntas fundamentales que estamos tratando de responder es cómo se conecta el cerebro durante el desarrollo», dijo Michael Crair, coautor principal del estudio y profesor de Neurociencia William Ziegler III en la Facultad de Medicina de Yale. «¿Cuáles son las reglas y los mecanismos que gobiernan el cableado cerebral? Estos hallazgos ayudan a responder esa pregunta».
Para el estudio, los investigadores se centraron en las células ganglionares de la retina de ratones, que se proyectan desde la retina hasta una región del cerebro llamada colículo superior, donde se conectan con las neuronas diana posteriores. Los investigadores midieron simultáneamente la actividad de una sola célula ganglionar de la retina, los cambios anatómicos que se produjeron en esa célula durante el desarrollo y la actividad de las células circundantes en ratones neonatos despiertos cuyos ojos aún no se habían abierto. Este experimento técnicamente complejo fue posible gracias a técnicas avanzadas de microscopía y proteínas fluorescentes que indican la actividad celular y los cambios anatómicos.
Investigaciones anteriores han demostrado que antes de que pueda tener lugar la experiencia sensorial (por ejemplo, cuando los seres humanos están en el útero o en los días previos a que los ratones jóvenes abran los ojos), la actividad neuronal generada espontáneamente se correlaciona y forma ondas. En el nuevo estudio, los investigadores descubrieron que cuando la actividad de una sola célula ganglionar de la retina estaba altamente sincronizada con ondas de actividad espontánea en las células circundantes, el axón de la célula individual (la parte de la célula que se conecta con otras células) generaba nuevas ramificaciones. Cuando la actividad estaba mal sincronizada, las ramificaciones del axón se eliminaban.
«Esto nos indica que cuando estas células se activan juntas, las asociaciones se fortalecen», afirmó Liang Liang, coautor principal del estudio y profesor adjunto de neurociencia en la Facultad de Medicina de Yale. «La ramificación de los axones permite que se establezcan más conexiones entre la célula ganglionar de la retina y las neuronas que comparten la actividad sincronizada en el circuito del colículo superior».
Este hallazgo sigue lo que se conoce como «regla de Hebb», una idea propuesta por el psicólogo Donald Hebb en 1949; en ese momento Hebb propuso que cuando una célula hace que otra célula se active repetidamente, las conexiones entre las dos se fortalecen.
«La regla de Hebb se aplica mucho en psicología para explicar la base cerebral del aprendizaje», dijo Crair, quien también es vicerrector de investigación y profesor de oftalmología y ciencias visuales. «Aquí demostramos que también se aplica durante el desarrollo cerebral temprano con precisión subcelular».
En el nuevo estudio, los investigadores también pudieron determinar en qué parte de la célula era más probable que se produjera la formación de ramas, un patrón que se interrumpió cuando los investigadores alteraron la sincronización entre la célula y las ondas espontáneas.
La actividad espontánea ocurre durante el desarrollo en varios otros circuitos neuronales, incluidos la médula espinal, el hipocampo y la cóclea. Si bien el patrón específico de actividad celular sería diferente en cada una de esas áreas, es posible que existan reglas similares que rijan la forma en que se realiza el cableado celular en esos circuitos, dijo Crair.
En el futuro, los investigadores explorarán si estos patrones de ramificación axonal persisten después de que los ojos de un ratón se abren y qué sucede con la neurona conectada aguas abajo cuando se forma una nueva ramificación axonal.
«Los laboratorios de Crair y Liang continuarán combinando nuestra experiencia en el desarrollo cerebral y la obtención de imágenes de células individuales para examinar cómo el ensamblaje y el refinamiento de los circuitos cerebrales están guiados por patrones precisos de actividad neuronal en diferentes etapas del desarrollo», afirmó Liang.
La investigación fue financiada en parte por el Instituto Kavli de Neurociencia de la Facultad de Medicina de Yale.
