La neuroenginyeria de precisió permet reproduir in vitro funcions cerebrals complexes

Per reconfiguració dinàmica sʼentén el reforçament o debilitament dʼenllaços mitjançant un augment o una disminució de lʼactivitat neuronal. Quan la reconfiguració condueix a una major cohesió entre diferents circuits neuronals del cervell, es diu que aquest sʼintegra, i quan disminueix la cohesió es diu que se segrega. «Aquest estudi demostra la importància de lʼorganització modular per maximitzar la flexibilitat dʼun circuit neuronal. També il·lustra el potencial de les eines in vitro i dels models biofísics per avançar en la comprensió de fenòmens col·lectius en un sistema complex tan fascinant i ric com el cervell», explica Jordi Soriano, investigador de lʼInstitut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS) i coautor del treball.

La integració està associada a lʼintercanvi ràpid dʼinformació entre circuits molt llunyans i diferents, mentre que la segregació està associada al processament dʼinformació en circuits localitzats. El que fa únic el cervell és que contínuament passa dʼun estat segregat a un dʼintegrat segons la naturalesa i la força dels estímuls. La reconfiguració dinàmica evita crear i destruir connexions físiques contínuament, una estratègia tan poc efectiva com energèticament costosa. Així, per exemple, els estímuls que ens arriben mitjançant la vista, lʼoïda i lʼolfacte es processen de manera segregada a lʼescorça cerebral per després integrar-se parcialment o totalment segons les necessitats. Mentre mirem una pel·lícula integrem imatges i sons, ignorant les olors i altres estímuls. Però quan sentim olor de cremat, sʼalerta el cervell perquè integri i analitzi tota la informació possible per prendre decisions urgents.

Malgrat la importància de la integració i la segregació, els mecanismes biofísics lligats a la reconfiguració dinàmica encara no eren ben coneguts. A més, tampoc sʼentenia com de sensible és la capacitat dʼintegració-segregació al nombre de connexions físiques existents entre regions cerebrals.

El model de cervell in vitro que han desenvolupat els investigadors consisteix en quatre mòduls interconnectats, on cada mòdul representa un circuit neuronal especialitzat (per exemple, vista o oïda). Els quatre mòduls estan recoberts de proteïnes adhesives i nutrients on es desenvolupen neurones, les quals es connecten entre elles dins un mòdul i amb altres neurones en mòduls llunyans. La neuroenginyeria de precisió permet controlar quantes connexions passen dʼun mòdul a un altre i, per tant, permet ajustar el grau dʼacoblament físic entre mòduls. En aquest model els estímuls corresponen a activacions espontànies de neurones.

Fent servir microscòpia de fluorescència de calci per detectar les activacions neuronals, els investigadors han estudiat la capacitat del circuit per integrar-se o segregar-se espontàniament segons el grau de connectivitat entre els mòduls i altres factors. «El que hem observat és que el circuit està permanentment integrat o segregat quan el nombre de connexions entre mòduls és massa gran o massa petit. El circuit òptim és aquell en què els quatre mòduls tenen una connectivitat just per sota de la mínima per integrar-se, de manera que els polsos dʼactivitat neuronal són suficients per reforçar puntualment les connexions i completar la integració. A la pràctica, aquest circuit òptim activat espontàniament treballa en un règim en què coexisteixen integració i segregació», apunta Hideaki Yamamoto, investigador de la Universitat de Tohoku. Lʼexpert puntualitza que «la dinàmica observada encara està molt lluny de la complexitat del cervell real, però sʼhan pogut aconseguir detalls sobre els mecanismes fonamentals que perfilen la dinàmica del cervell.

Referència de lʼarticle:

H. Yamamoto, S. Moriya, K. Ide, T. Hayakawa, H. Akima, S. Sato, S. Kubota, T. Tanii, M. Niwano, S. Teller, J. Soriano, A. Hirano-Iwata. «Impact of modular organization on dynamical richness in cortical networks». Science Advances, 14 de novembre de 2018. DOI: 10.1126/sciadv.aau4914