El cerebro ha sido uno de los órganos que más retos ha planteado a la comunidad científica a lo largo de la Historia. Tanto su complejidad como cada una de las funciones de la que es responsable y el papel que desempeña en la vida de toda persona han acaparado la atención de cientos y miles de científicos e instituciones durante siglos. Uno de los grandes enigmas ha sido el modo en que este órgano computa la información. Y es que, pese a que siempre se ha creído que los breves impulsos eléctricos que genera el cuerpo celular (soma) de las neuronas activan las ramificaciones de estas (dendritas) para enviar corrientes a las somas de otras neuronas, esta hipótesis nunca había sido probada.
Así lo aseguran los científicos de la Universidad de California de Los Ángeles (UCLA), los cuales han participado en un hallazgo que desafía las creencias que había hasta ahora sobre la forma en que el cerebro computa la información para el aprendizaje, la percepción o la formación y el almacenamiento de recuerdos. Este descubrimiento ha suscitado un interés tremendo tanto entre neurólogos y científicos como entre bioingenieros e ingenieros electrónicos. Los primeros consideran que este hito podría allanar el camino para el desarrollo de fármacos para el tratamiento de los trastornos neurológicos; y los segundos acogen el hallazgo como un rayo de luz para el desarrollo de robots que “piensan” como humanos, para concebir una nueva generación de ordenadores y máquinas neuromórficas que imiten con la mayor semejanza posible a lo que hace el cerebro.
Por ahora, los robots neuromórficos de última generación operan imitando a las neuronas en un modo mixto: digital y analógico. El modo digital toma como referencia los picos eléctricos que envían las neuronas (son elementos binarios: todo o nada) y los convierte en ceros y unos. Y el modo analógico hace que las señales entrantes se procesen como si se tratase de un interruptor. De esta manera, los chips tienen más eficiencia energética y son más robustos cuando algún componente falla. A partir de aquí, los proyectos se basan en la organización jerárquica de las neuronas, la computación distribuida y los circuitos de retroalimentación para crear la visión de un ordenador neuromórfico energéticamente eficiente, poderoso y robusto. ¿Qué pasará a raíz del descubrimiento de los científicos del UCLA sobre el cerebro?
El cerebro es 10 veces más activo de lo que se ha pensado siempre
La investigación fue publicada en la edición del 9 de marzo de la revista Science y se centra en la estructura y función de las dendritas, consideradas un elemento pasivo de las neuronas que solo sirven para enviar corriente de un soma a otro. El equipo de la UCLA ha descubierto que las dendritas, que representan más del 90% del tejido neural, no son elementos pasivos de la neurona. En animales que se mueven libremente, las dendritas manifiestan una conducta eléctricamente activa, generando casi diez veces más ráfagas eléctricas que el soma. Pero además de estos picos eléctricos, los investigadores encontraron que las dendritas generan grandes fluctuaciones voltaicas que variaban lentamente, lo que sugiere que son las ejecutoras del cálculo analógico.
“Una creencia permanente en neurociencia ha sido que las neuronas son dispositivos digitales, ya sea que generen un pico o no; sin embargo, los resultados actuales muestran que las dendritas no se comportan puramente como un dispositivo digital. Las dendritas generan picos digitales, todo o nada, pero también muestran grandes fluctuaciones analógicas que no son todas o ninguna. Son híbridos que hacen cálculos tanto analógicos como digitales. Esto es una gran diferencia con lo que los neurocientíficos han creído durante 60 años”, comenta Mayank Mehta, neurofísico de la UCLA y autor principal del estudio.
El profesor Mayank Mehta considera que, debido a que las dendritas son casi 100 veces más grandes en volumen que los centros neuronales, este hallazgo podría significar que el cerebro tiene más de 100 veces la capacidad computacional de lo que se pensaba hasta ahora. “Lo que hemos encontrado indica que las decisiones se toman en las dendritas mucho más a menudo que en el cuerpo celular, y que tales cálculos no son sólo digitales, sino también analógicos“, completa.
Por su parte, Jason Moore, investigador postdoctoral de la UCLA y primer autor del estudio, señala que estos resultados indican “que el aprendizaje puede tener lugar cuando la neurona de entrada está activa al mismo tiempo que una dendrita está activa, y podría ser que diferentes partes de las dendritas estuvieran activas en diferentes momentos, lo que sugeriría una mayor flexibilidad a la hora de comprender cómo se efectúa el aprendizaje dentro de una sola neurona”.
Una técnica innovadora para poder medir la actividad de la dendritas
Estudios recientes en cortes cerebrales ya habían puesto de manifiesto que las dendritas pueden generar picos eléctricos. Pero no estaba claro que esto pudiera suceder durante el comportamiento natural ni su frecuencia. La falta de evidencia responde a la elevada fragilidad de las dendritas para ser estudiadas en un organismo vivo. De hecho, los científicos comprobaron que las dendritas morían cuando intentaban colocar un electrodo en la propia célula.
Pero el equipo de la UCLA desarrolló una nueva técnica. Esta consiste en colocar el electrodo cerca de la dendrita de las ratas de laboratorio, más que encima de la célula. Esta técnica les permitió medir la actividad de las dendritas durante cuatro días, tiempo suficiente para tomar medidas de la corteza parietal posterior, la parte del cerebro que desempeña un papel clave en la planificación del movimiento.
Sin embargo, el profesor Mayank Mehta sostiene que todavía queda mucho por conocer sobre el cerebro. ¿El obstáculo? Es tecnológico. “Debido a las dificultades tecnológicas, la investigación en la función cerebral se ha centrado en gran medida en el cuerpo celular, pero hemos descubierto la vida secreta de las neuronas, especialmente en las extensas ramas neuronales”, concluye. Así, al contrario de lo que se creía sobre el papel protagonista de los impulsos eléctricos del soma en la percepción, el aprendizaje y la formación de la memoria, ellos han descubierto que el cerebro es hasta diez veces más activo que lo que se había estado calculando durante toda la historia.
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