Las células cerebrales se pueden dividir ampliamente en dos categorías: neuronas inhibidoras y excitadoras. Las neuronas excitadoras son células que apoyan la generación de impulsos eléctricos en las neuronas postsinápticas, provocando así la activación de células en regiones cerebrales específicas. Las neuronas inhibidoras, por otro lado, contribuyen a inhibir estos impulsos eléctricos y así reducir la actividad en regiones específicas del cerebro.
El equilibrio entre inhibición y excitación contribuye al funcionamiento saludable del cerebro. Si bien ahora se comprenden bien los procesos neurobiológicos que sustentan el ajuste fino de las neuronas excitadoras, aquellos que subyacen al ajuste fino de las neuronas inhibidoras siguen siendo difíciles de alcanzar.
Investigadores de la Universidad McGill y la Universidad de Edimburgo llevaron a cabo un estudio destinado a comprender mejor los principios que rigen el ajuste fino de las neuronas excitadoras e inhibidoras en el postsubículo del ratón, una región del lóbulo temporal medial del cerebro conocida por apoyar la navegación espacial y la memoria.
Sus hallazgos, publicados en Nature Neuroscience, validan la hipótesis de que la sintonización equivalente de las neuronas excitadoras e inhibidoras es una propiedad intrínseca de las redes corticales locales.
«Nuestro laboratorio está interesado en cómo la información sobre el mundo exterior se refleja en la actividad de las células cerebrales individuales», dijo a Adrian J. Duszkiewicz, autor principal del artículo.
«El cerebro de los mamíferos está formado por millones de células cerebrales, llamadas neuronas, que forman miles de millones de conexiones, y descifrar su código sabiendo la actividad de sólo una fracción de esas células cerebrales es una tarea desafiante. Aún así, en algunas partes de la actividad cerebral de neuronas individuales es relativamente sencillo de interpretar, y si estudiamos dichos circuitos en detalle podemos descubrir algunos principios más generales de cómo la actividad de las células cerebrales individuales se relaciona con el mundo exterior».
Las células que participan en patrones de actividad bastante sencillos incluyen neuronas en la corteza visual primaria, que se activan en respuesta a estímulos visuales. Otros ejemplos de estas células son las células de lugar en el hipocampo y las células de rejilla en la corteza entorrinal medial, las cuales exhiben patrones de actividad que están estrechamente relacionados con la ubicación de un animal en su entorno circundante.
La existencia de células reticulares se reveló por primera vez hace casi dos décadas y el equipo que las descubrió recibió el Premio Nobel de Fisiología/Medicina en 2014.
«Tanto las células de lugar como las de red pertenecen a la clase de células ‘excitadoras’, es decir, células cerebrales que activan otras células cerebrales a las que se conectan», explicó Duszkiewicz. «Estas células constituyen la mayoría de las neuronas en la corteza cerebral (~85%), mientras que las neuronas restantes pertenecen en gran medida a otra clase de células, llamadas células ‘inhibidoras’, que disminuyen la actividad de las células a las que se conectan».
Estudios anteriores han descubierto que la actividad de las células excitadoras, incluidas las neuronas de la corteza visual primaria y las células de lugar, está estrechamente relacionada con las características ambientales. Las células inhibidoras, por otro lado, tienden a estar permanentemente activas y su actividad sólo puede ser ligeramente modulada por eventos externos/ambientales.
El objetivo principal del reciente trabajo de Duszkiewicz y sus colaboradores fue comprender mejor el origen de la actividad celular inhibidora. En concreto, el equipo se propuso determinar si la actividad de estas células es realmente aleatoria o si sigue un patrón particular.
«Para hacer esto, recurrimos a otra parte de la corteza cerebral: un área del cerebro llamada postsubiculum, que se dedica al sentido de orientación en el espacio», dijo Duszkiewicz. «Las células excitadoras en el postsubiculum se llaman ‘células de dirección de la cabeza’ porque cada una de ellas está activa cuando el animal mira en una dirección particular, y juntas forman el equivalente cerebral de una brújula, que rastrea con precisión la orientación del animal en el entorno».
Los investigadores decidieron centrar sus esfuerzos en el postsubículo del ratón porque se sabe que esta región del cerebro tiene un código neuronal muy simple. La simplicidad de su código les permitió trazar los patrones de actividad de neuronas individuales simplemente rastreando la dirección en la que se movía un ratón mientras exploraba una caja.
«Utilizamos conjuntos de electrodos en miniatura que implantamos en el cerebro de ratones y apuntamos al postubículo», dijo Duszkiewicz. «Esta técnica nos permitió rastrear la actividad de docenas de neuronas individuales, hasta 180 a la vez, mientras los ratones buscaban cereal en una caja grande».
La mayoría de las neuronas examinadas por los investigadores, es decir, las células excitadoras de la dirección de la cabeza de los ratones, sólo estaban activas cuando los ratones miraban en una dirección específica. El equipo también observó algunas neuronas inhibidoras que estaban activas todo el tiempo y, sin embargo, parecían preferir conjuntos de direcciones aparentemente aleatorias.
«Cuando observamos más de cerca los patrones de actividad de las neuronas en el postsubículo, o su ‘sintonización’ con la dirección del animal, nos dimos cuenta de que la sintonización de las neuronas inhibidoras no era exactamente aleatoria», dijo Duszkiewicz. «Observando únicamente su actividad pudimos determinar en qué dirección mira actualmente el ratón, con una precisión similar a la de las células excitadoras, lo que significa que su actividad era significativa. Pero lo más importante es que sus patrones de actividad parecían sumar la actividad de todas las neuronas excitadoras vecinas: las células canónicas de dirección de la cabeza».
Curiosamente, los investigadores descubrieron que los patrones de actividad de las neuronas inhibidoras no parecían estar influenciados en absoluto por entradas provenientes de otras áreas del cerebro. Por el contrario, parecían estar totalmente determinadas por la sintonización de las neuronas excitadoras cercanas.
Duszkiewicz y sus colegas definieron esta interacción entre los patrones de sintonización de la actividad excitatoria e inhibidora como «equivalencia excitadora/inhibitoria». Específicamente, sus hallazgos muestran que los patrones de sintonización de las células excitadoras e inhibidoras se componen de los mismos componentes y los patrones inhibidores son la suma de los patrones excitadores.
«Creemos que este hallazgo nos acerca a la comprensión de cómo las dos clases de neuronas, las células excitadoras e inhibidoras, trabajan juntas para crear un mapa mental del mundo exterior dentro del cerebro», dijo Duszkiewicz. «Esto podría ser particularmente importante en la era de las redes neuronales artificiales, ya que impone algunas limitaciones sobre cómo los nodos individuales de las redes neuronales artificiales deben mapearse con el mundo externo si esas redes van a modelar la actividad dentro de los cerebros reales».
Los resultados recopilados por Duszkiewicz y sus colaboradores arrojan nueva luz sobre los orígenes locales de la sintonización excitatoria e inhibidora en el cerebro de los mamíferos. Si bien su estudio reciente se centró en el postsubículo, el equipo espera ampliar pronto su investigación y examinar otras regiones del cerebro.
«Hasta ahora sólo nos hemos centrado en un circuito neuronal, el postsubículo, porque sus patrones de actividad son relativamente fáciles de entender», añade Duszkiewicz.
«Sin embargo, ahora que sabemos qué buscar, queremos confirmar que esta equivalencia de sintonización excitadora/inhibitoria se puede observar en áreas del cerebro con actividad más compleja, como las células de la rejilla en la corteza entorrinal medial. Otra vía que seguiremos en Nuestro trabajo futuro consiste en observar más de cerca diferentes subclases de neuronas inhibidoras (de las cuales hay muchas), para ver si muestran alguna diferencia en su sintonía con la orientación del animal».
Más información: Adrian J. Duszkiewicz et al, Origen local de la equivalencia de sintonización excitatoria-inhibitoria en una red cortical, Nature Neuroscience (2024). DOI: 10.1038/s41593-024-01588-5
