enero 31, 2021

Las Redes Neuronales

 



Las redes neuronales se forman en las primeras fases de desarrollo del cerebro gracias al crecimiento y migración de las células nerviosas. Ambos procesos se combinan para organizar los conjuntos sinápticos y la modularidad de la arquitectura cognitiva.


Células sociales


Las neuronas son células sociales que, a la larga, mueren de forma aislada. Durante su desarrollo desencadenan procesos celulares, denominados neuritas, para establecer conexiones sinápticas con otras neuronas y formar así circuitos o redes neuronales.


Las neuronas no están dispuestas al azar en el cerebro humano. En la corteza, se organizan en grupos interconectados con alta conectividad intrínseca.



Redes neuronales
antes de entrenar
Redes neuronales
 2 meses de la
estimulación cognitiva
Redes neuronales
2 semanas de la
estimulación cognitiva

Estos procesos se regulan por sí mismos: cuando una conexión sináptica sobrepasa su capacidad receptora, inmediatamente deja de crecer e incluso renuncia a conexiones y reduce el tamaño de la red neuronal.


De esta forma, el cerebro evita la sobrexcitación de la red neuronal y consigue que ese circuito se concentre específicamente en la tarea asignada.


Sinapsis

Estructura de la sinapsis

En el proceso de sinápsis se establece la posibilidad de “transmisión de información” entre unas neuronas y otras – desde las terminaciones en las que se ramifica el axón de una neurona hacia las dendritas de otra –; cuando el estímulo – o impulso eléctrico – llega a un terminal nervioso, hace que el nervio libere neurotransmisores. Dependiendo del tipo de neurotransmisor liberado, las neuronas receptoras pueden excitarse si llegan a recibir el estímulo de las neuronas con las que está conectadas o inhibirse si dicha información no llega a recibirse, generando una respuesta de uno u otro tipo en cada caso.

El impulso nervioso entra por las dendritas,
se procesa en el soma y sale por el axón


La sinapsis entre una neurona y otra puede aumentar su fuerza, lo cual se conoce como potenciación, o disminuirla, lo que se llama depresión. Cuando lo hacen por largo tiempo se denominan potenciación de largo plazo y depresión de largo plazo.


Así, las sinapsis pueden conectarse, deprimirse e incluso eliminarse. El fenómeno completo se conoce como plasticidad sináptica de largo plazo y el resultado es que hay unas neuronas que quedan mejor conectadas, se agrupan y tienden a disparar señales eléctricas juntas.


De tal forma que unas sinapsis se refuerzan y otras se debilitan provocando cambios en los pesos sinápticos de todo el circuito, es decir, de todas las neuronas que están conectadas. Así, se forman trayectorias para que fluya la actividad neuronal. En ellas, las sinapsis que están debilitadas se excluyen, mientras las que están reforzadas se incluyen en la trayectoria. Por lo tanto, con este mecanismo de cambiar pesos sinápticos se van formando microcircuitos o redes neuronales.


Circuitos neuronales


Nacemos con circuitos pre-ensamblados hechos con grupos de neuronas que se activan de manera simultánea o correlacionada. De esta manera, la actividad neuronal transita de un grupo de neuronas a otro formando secuencias.


En casos como los de la epilepsia se observa que no hay una secuencia entre las neuronas y todas disparan señales eléctricas. O cuando hay una hipersincronización de las neuronas se relaciona con casos de síndrome obsesivo compulsivo o parkinson.


Red neuronal simple con dos neuronas y
dos células gliales: astrocitos y oligodendrocitos

De esta manera, en cada uno de los actos que realizamos hay un circuito neuronal y en sus secuencias se encuentran las representaciones mentales, las memorias y los momentos. Así, al reconectarse constantemente durante el aprendizaje y la experiencia, algunas neuronas son eliminadas y otras reclutadas en los grupos que forman las secuencias. Es decir, se nace con algunos circuitos, pero al tener un nuevo aprendizaje se crean otros. Por lo tanto, en el tiempo en que se forman nuevas sinapsis hay cambios estructurales y el circuito se reorganiza. Ésta es la forma como aprendemos y es posible gracias a la plasticidad cerebral, que usa unas sinapsis y evita otras.


Este proceso de organización neuronal, que establece un orden en la arquitectura cerebral, está regulado por la propia actividad de las neuronas, pero hasta ahora se desconocía cómo consigue el cerebro embrionario establecer redes neuronales activas y en equilibrio, desde etapas tan tempranas de su desarrollo.

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Descubren un nuevo mecanismo de formación de las redes cerebrales


Científicos de la Escuela de Medicina de Baylor, en Texas, cuyo artículo se publicó en Nature Neuroscience de diciembre 2016, han descubierto que las redes de células o neuronas inhibitorias del cerebro se desarrollan a través de un mecanismo opuesto al seguido por las redes excitatorias.


Las neuronas excitatorias esculpen y refinan mapas del mundo externo a lo largo del desarrollo y la experiencia, mientras que las neuronas inhibidoras forman mapas que se amplían con la maduración.


La mayoría de los mapas neuronales se han estudiado en los circuitos excitatorios del cerebro porque las neuronas excitatorias en la corteza superan a las neuronas inhibidoras. Los estudios de mapas excitatorios han revelado que comienzan como una red difusa y solapada de células.


Además de las redes excitatorias, el cerebro tiene redes inhibitorias que también responden a estímulos externos y regulan la actividad de las redes neuronales, pero el desarrollo de las redes inhibitorias sigue siendo un misterio. En esta investigación, los científicos estudiaron el desarrollo de mapas de las neuronas inhibidoras en el sistema olfativo del ratón.


Circuitos excitatorios e inhibitorios, desarrollados de manera opuesta


A diferencia de la vista, el oído u otros sentidos, el sentido del olfato en el ratón detecta aromas discretos de una gran variedad de moléculas. Los ratones pueden detectar una gran cantidad de aromas gracias en parte a una compleja red de neuronas inhibidoras. Las neuronas inhibidoras son el tipo más abundante de células en el área del cerebro del ratón dedicada a procesar el olor y para respaldar esta red, se agregan continuamente neuronas inhibitorias recién nacidas y se integran en los circuitos.


Los investigadores siguieron los caminos de estas nuevas neuronas añadidas en el tiempo para determinar cómo se desarrollan los circuitos inhibidores. En primer lugar, etiquetaron genéticamente las células para que brillaran cuando las neuronas estaban activas. Luego, ofrecieron olores individuales a los ratones y grabaron visualmente a través de un microscopio las áreas o redes del cerebro que resplandecían por cada olor que el animal vivo y anestesiado olía. Los científicos repitieron el experimento varias veces para determinar cómo las redes cambiaban cuando el roedor aprendió a identificar cada olor.


Los investigadores esperaban que las redes inhibidoras madurasen de una manera similar a la de las redes excitatorias; es decir, cuanto más experimentaba el animal un olor, mejor se definirían las redes de actividad. Sorprendentemente, descubrieron que los circuitos cerebrales inhibitorios del sentido del olfato del ratón se desarrollan de manera opuesta a los circuitos excitatorios. En lugar de convertirse en áreas definidas de manera estrecha, los circuitos inhibidores se vuelven más amplios.


Piensan que las redes inhibitorias trabajan mano a mano con las redes excitatorias. En concreto, proponen que la interacción entre redes excitatorias e inhibitorias puede compararse con una red de carreteras – redes excitatorias – cuyo tráfico está regulado por una red de semáforos – redes inhibitorias –. Los autores sugieren que la formación de mapas neuronales útiles depende de redes inhibitorias que impulsen el refinamiento de las redes excitatorias y que esta nueva información será esencial para desarrollar nuevos enfoques para reparar el tejido cerebral.


Este hallazgo añade una nueva pieza al rompecabezas de cómo el cerebro organiza y procesa la información.



Descubren cómo se forman en el cerebro las redes neuronales


Neurocientíficos de la Universidad de Friburgo en una nueva investigación, publicada en la revista en línea eLife de octubre 2019, han descubierto cómo se consigue esta proeza cerebral: es el resultado de la interacción de dos procesos neuronales diferentes.



Uno de estos procesos es el crecimiento de las neuronas, que sigue unos patrones específicos. El otro proceso es el de la migración que realizan las neuronas desde que nacen hasta ocupar el lugar específico asignado en la organización cerebral.


Esta investigación ha podido determinar que la interacción entre ambos procesos es lo que permite al cerebro construir las redes neuronales que sustentan los procesos cognitivos.


Esta interacción no sólo organiza a las neuronas en conjuntos sinápticos que funcionan como unidades individuales, sino que también establece la modularidad de la red neuronal, que es la capacidad de subdividir una función en partes más pequeñas – llamadas módulos – para desempeñar funciones específicas con mayor eficacia.


Conexión sinaptica entre dos neuronas


La nueva investigación ha podido establecer, mediante simulaciones por computadora, que para crear nuevas redes neuronales, las células nerviosas no solo desarrollan procesos biológicos para establecer conexiones sinápticas – neuritas –, sino que también migran hacia otras neuronas para aumentar la probabilidad de conexiones. En las simulaciones los científicos demostraron que la migración y el crecimiento de neuritas pueden interactuar para dar forma a arquitecturas de red específicas.

Esa interacción entre los procesos de crecimiento y migración es la que regula la relación entre la conectividad local dentro de los clústeres – conjunto de grupos – y la conectividad entre clústeres de largo alcance y, por lo tanto, el grado de modularidad de la red neuronal. Gracias a esta interacción, se generan los patrones espacio temporales de la actividad neuronal, que son cruciales para el desarrollo de la corteza cerebral.

Modelo de desarrollo de redes dependientes de la actividad




Las estrategias de cableado neuronal pueden implicar la expansión de los campos de neuritas y la migración hacia otras neuronas para aumentar la conectividad modelada como superposición de campos de neuritas. (A) Función de transferencia de la despolarización de la membrana entre el potencial máximo y en reposo a las tasas de disparo. Línea punteada: tasa de disparo objetivo. (B) El crecimiento de las neuritas (naranja) y la migración (verde) se modularon en función de [Ca2 +] i que correspondía a las tasas de activación promedio. Las neuritas crecieron mientras la tasa de disparo (correspondiente a la afluencia media de Ca2 + a largo plazo) estaba por debajo del objetivo y se podaban cuando estaba por encima de él. La tasa de migración disminuyó a medida que las neuronas se acercaron a la tasa de disparo objetivo (línea de puntos). (C) El área de superposición del campo de neuritas, correspondiente a la conectividad en el modelo, puede incrementarse mediante el crecimiento de neuritas y la migración neuronal hacia las neuronas vecinas (D).

Los científicos comprobaron las predicciones del modelo informático investigando cómo la migración celular, el crecimiento de neuritas y la actividad neuronal, interactúan realmente en el desarrollo de las redes de neuronas corticales en ratas de laboratorio.


Para observar y modular la migración celular en estas redes, manipularon una enzima que está involucrada especialmente en la regulación del citoesqueleto neuronal de las ratas. Y observaron que, de la misma forma que había ocurrido en sus simulaciones, la migración celular y el crecimiento neuronal promovieron la conectividad modular en los cerebros de las ratas de laboratorio.


Observaron asimismo que la agrupación de neuronas en red propició primero la generación de actividad cerebral y después el incremento de esa actividad inicial, confirmando así que se trataba de una red neuronal nueva y operativa.


Por último, constataron que el aumento de la actividad de la red neuronal estaba controlado a través de un canal de calcio que mantiene el equilibrio entre el crecimiento de la dinámica neuronal y la sobreexcitación.


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Neurogénesis


La neurogénesis se refiere al nacimiento y proliferación de nuevas neuronas en el cerebro. Este es un proceso habitual durante la etapa embrionaria. Sin embargo, nuevos estudios científicos han concluido que esta formación de nuevas células neuronales puede darse en la etapa adulta. También se ha probado que este proceso, en la edad adulta, tiene un papel limitado, por tanto no sería capaz de solucionar lesiones cerebrales graves.


Proceso de neurogénesis


Tiene lugar en la zona subventricular, aunque el mayor punto de formación de neuronas es en la zona subglandular del giro dentado del hipocampo.


Esta parte del hipocampo se localiza en el lóbulo temporal, formando parte del sistema límbico. Las funciones del hipocampo son bien conocidas y están relacionadas con la memoria, el aprendizaje, las emociones y la orientación espacial.


Generamos nuevas células neuronales durante la etapa adulta y es muy importante favorecer su creación. Esta importancia radica en que intervienen en procesos relacionados con el aprendizaje y la memoria.


El aprendizaje y la memoria son dos procesos cognitivos que resultan de vital importancia para la supervivencia del ser humano. Implicadas en su regulación se encuentran diversas estructuras cerebrales, siendo el hipocampo una de ellas.


El hipocampo es la zona cerebral donde se producen la mayor parte de las nuevas neuronas, las cuales tienen la capacidad de integrarse en redes neuronales de esta zona, regulando funciones cognitivas relacionadas con el hipocampo.


La plasticidad 


La plasticidad es una habilidad de los sistemas orgánicos, sobre todo mamíferos, que les permite adaptarse a los cambios del entorno para sobrevivir. El sistema nervioso de los mamíferos posee una plasticidad altamente desarrollada en las primeras etapas del desarrollo, comprobándose por el mayor número de neuronas que aparecen. Este aprendizaje y memoria son eventos que favorecen la plasticidad.


Por lo tanto, aprender algo nuevo no solo va a ser importante para conocer una habilidad, sino es la forma de adquirir este nuevo material neuronal. Cualquier actividad que suponga aprender algo nuevo puede favorecer la formación de esta nueva red de neuronas.


¿ Cómo conseguir que se formen estas nuevas neuronas ?


Realizar una actividad nueva y desconocida puede suponer un aumento en la red dendrítica. Cualquier actividad que mantenga la mente activa puede ayudar en este proceso de neurogénesis, desde aprender un nuevo idioma hasta realizar ejercicio físico puede conseguir que ralenticemos el deterioro cognitivo causado por la edad.


Al igual que podemos conseguir que este proceso tenga lugar, existen otras muchas actividades que pueden repercutir negativamente en esta neurogénesis y, es más, pueden acelerar la pérdida de neuronas. El consumo de tabaco, alcohol y otras drogas hacen que esta plasticidad sináptica varíe y, no solo eso, problemas que nos afectan día a día, como la contaminación, producen una muerte excesiva de neuronas.

La manera más eficaz de favorecer el nacimiento de nuevas células neuronales es a través del ejercicio, tanto físico como mental.



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