IMP de Inteligencia Biológica

El álgebra de las neuronas  

Un estudio descifra cómo una sola célula nerviosa puede multiplicarse

24. Febrero 2022

Las neuronas realizan constantemente cálculos complejos para procesar información sensorial e inferir el estado del entorno. Por ejemplo, para localizar un sonido o para reconocer la dirección del movimiento visual, se cree que las neuronas individuales multiplican dos señales. Sin embargo, cómo se lleva a cabo tal cálculo ha sido un misterio durante décadas. Investigadores del Instituto Max Planck de Inteligencia Biológica, han descubierto ahora en las moscas de la fruta la base biofísica que permite a un tipo específico de neurona multiplicar dos señales entrantes. Esto proporciona información fundamental sobre el álgebra de las neuronas, los cálculos que pueden subyacer a innumerables procesos en el cerebro.

Reconocemos fácilmente los objetos y la dirección en la que se mueven. El cerebro calcula esta información en función de los cambios locales en la intensidad de la luz detectados por nuestra retina. Los cálculos ocurren a nivel de neuronas individuales. Pero, ¿qué sucede cuando las neuronas calculan? En una red de células nerviosas comunicantes, cada célula debe calcular su señal saliente en función de una multitud de señales entrantes. Ciertos tipos de señales aumentarán y otros reducirán la señal saliente, procesos a los que los neurocientíficos se refieren como "excitación" e "inhibición".


Las neuronas en el cerebro de la mosca de la fruta se multiplican dividiéndose por lo recíproco.

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Las neuronas en el cerebro de la mosca de la fruta se multiplican dividiéndose por lo recíproco.

Los modelos teóricos asumen que ver el movimiento requiere la multiplicación de dos señales, pero anteriormente se desconocía cómo se realizan estas operaciones aritméticas a nivel de neuronas individuales. Investigadores del departamento de Alexander Borst en el Instituto Max Planck de Inteligencia Biológica, han resuelto este rompecabezas en un tipo específico de neurona.

Grabación desde células T4

Los científicos se centraron en las llamadas células T4 en el sistema visual de la mosca de la fruta. Estas neuronas solo responden al movimiento visual en una dirección específica. Los autores principales Jonatan Malis y Lukas Groschner lograron por primera vez medir tanto las señales entrantes como las salientes de las células T4. Para ello, los neurobiólogos colocaron al animal en un cine en miniatura y utilizaron electrodos minúsculos para registrar las actividades eléctricas de las neuronas. Dado que las células T4 se encuentran entre las más pequeñas de todas las neuronas, las mediciones exitosas fueron un hito metodológico.

Junto con las simulaciones por computadora, los datos revelaron que la actividad de una célula T4 se inhibe constantemente. Sin embargo, si un estímulo visual se mueve en una cierta dirección, la inhibición se levanta brevemente. Dentro de esta corta ventana de tiempo, una señal excitatoria entrante se amplifica: Matemáticamente, la inhibición constante es equivalente a una división; la eliminación de la inhibición resulta en una multiplicación. "Hemos descubierto una base simple para un cálculo complejo en una sola neurona", explica Lukas Groschner. "La operación inversa de una división es una multiplicación. Las neuronas parecen ser capaces de explotar esta relación", añade Jonatan Malis.

Relevancia para el comportamiento

La capacidad de la célula T4 para multiplicarse está vinculada a una determinada molécula receptora en su superficie. "Los animales que carecen de este receptor perciben mal el movimiento visual y no logran mantener un curso estable en los experimentos de comportamiento", explica la coautora Birte Zuidinga, quien analizó las trayectorias de caminata de las moscas de la fruta en una configuración de realidad virtual. Esto ilustra la importancia de este tipo de cálculo para el comportamiento de los animales. "Hasta ahora, nuestra comprensión del álgebra básica de las neuronas era bastante incompleta", dice Alexander Borst. "Sin embargo, el cerebro comparativamente simple de la mosca de la fruta nos ha permitido obtener información sobre este rompecabezas aparentemente intratable". Los investigadores asumen que los cálculos neuronales similares subyacen, por ejemplo, a nuestras habilidades para localizar sonidos, enfocar nuestra atención u orientarnos en el espacio.

 
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