Una señal cerebral es un registro de la señal eléctrica generada por la acción cooperativa de las células cerebrales, o más precisamente, el curso temporal de los potenciales de campo extra-celular neuronal generados por su acción sincrónica.
Tipo de señales procesadas por el cerebro humano
El cerebro envía y recibe señales químicas y eléctricas por todo el cuerpo. Diferentes señales controlan diferentes procesos, y el cerebro interpreta cada una. Algunas nos hacen sentirnos cansados, mientras que otras nos hacen sentir dolor.
El cerebro es un semillero de actividad electro-química. Alrededor de 100 mil millones de neuronas están disparando cada una de 5 a 50 mensajes – potenciales de acción – por segundo. Esta actividad nos permite procesar el entorno, mover los músculos e incluso mantener el equilibrio.
Las neuronas transportan información
en forma de impulsos eléctricos. Las neuronas se comunican entre sí y con el resto del cuerpo.
La transferencia de información de neurona a neurona tiene lugar mediante la liberación de sustancias químicas en el espacio entre el axón y las dendritas. Estos químicos se llaman neurotransmisores, y el proceso se llama neurotransmisión. El espacio entre el axón y las dendritas se llama sinapsis.
La distancia que pueden recorrer los potenciales de acción antes de que necesiten ser regenerados depende del diámetro del axón – cuanto más grueso, mejor – y de si el axón está aislado con mielina. Las velocidades de conducción resultantes oscilan entre 0,5 y 100 metros por segundo, son rápidas, pero no tan rápidas como las del cable de cobre.
Dos tipos principales de nervios llevan señales al cerebro
* Los nervios sensoriales llevan señales a nuestro cerebro para ayudarlo a tocar, saborear, oler y ver.
* Los nervios motores transmiten señales a los músculos o glándulas para ayudarnos a movernos y funcionar.
La electroencefalografía permite ver las señales cerebrales
La electroencefalografía, o EEG, es probablemente la segunda técnica más conocida para registrar la actividad neuronal. Mientras que la fMRI registra el flujo sanguíneo – un indicador de la activación de las neuronas – el EEG registra directamente la actividad eléctrica del cerebro a través de electrodos colocados en el cuero cabelludo del sujeto.
¿Son las señales cerebrales más rápidas que la luz?
¿Es el pensamiento más rápido que la luz? No. Si hablamos en sentido literal, los pensamientos viajan como impulsos electro-químicos en nuestro cerebro. Las velocidades de impulso nervioso más altas medidas son de alrededor de 120 m/s, pero solo se encuentran en el control muscular y los nervios de retroalimentación.
Las células cerebrales se conectan a través de señales nerviosas
Al enviar señales eléctricas de una célula nerviosa a otra dentro de una gran red de conexiones, el cerebro crea pensamientos tan mundanos como "¿Dónde están mis llaves?" o tan profundo como “Pienso, luego existo”.
Los científicos han identificado recientemente una forma única de mensajería celular que ocurre en el cerebro humano y que no se había visto antes. Emocionalmente, el descubrimiento sugiere que nuestros cerebros podrían ser unidades de computación aún más poderosas de lo que creíamos.
Se ha detectado una señal única en su tipo en el cerebro humano
Científicos de las Universidades de Humboldt y Grecia, cuya investigación se publicó en Science de enero 2020, han identificado una forma única de mensajería celular, que ocurre en el cerebro humano.
Los investigadores informaron sobre un mecanismo en las células corticales externas del cerebro que produce una nueva señal “graduada” por sí sola, que podría proporcionar a las neuronas individuales otra forma de llevar a cabo sus funciones lógicas.
Al medir la actividad eléctrica en secciones de tejido extraídas durante la cirugía en pacientes epilépticos y analizar su estructura usando microscopía fluorescente, los neurólogos encontraron que las células individuales en la corteza usaban no solo los iones de sodio habituales para ‘disparar’, sino también calcio.
Esta combinación de iones cargados positivamente provocó ondas de voltaje que nunca antes se habían visto, conocidas como potenciales de acción dendríticos mediados por calcio o dCaAP.
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Nuestros cerebros podrían ser
unidades de computación aún
más poderosas de lo que creíamos |
Los cerebros, especialmente los de la variedad humana, a menudo se comparan con las computadoras. La analogía tiene sus límites, pero en algunos niveles realizan tareas de manera similar.
Ambos utilizan la potencia de una tensión eléctrica para realizar diversas operaciones. En las computadoras, tiene la forma de un flujo bastante simple de electrones a través de intersecciones llamadas transistores.
En las neuronas, la señal tiene la forma de una onda de apertura y cierre de canales que intercambian partículas cargadas tales como sodio, cloruro y potasio. Este impulso de iones que fluyen se llama potencial de acción.
Un potencial de acción ocurre cuando el potencial de membrana de una célula específica aumenta y disminuye rápidamente. Esta despolarización hace que las ubicaciones adyacentes se despolaricen de manera similar. Los potenciales de acción ocurren en varios tipos de células animales, llamadas células excitables, que incluyen neuronas, células musculares y algunas células vegetales. Ciertas células endocrinas, como las células beta pancreáticas y ciertas células de la glándula pituitaria anterior, también son células excitables.
En las neuronas, los potenciales de acción desempeñan un papel central en la comunicación entre células al proporcionar – o, con respecto a la conducción saltatoria, ayudar – a la propagación de señales a lo largo del axón de la neurona hacia los botones sinápticos situados en los extremos de un axón. Estas señales luego pueden conectarse con otras neuronas en las sinapsis o con células o glándulas motoras.
En lugar de transistores, las neuronas manejan estos mensajes químicamente al final de ramas llamadas dendritas.
Las dendritas son los semáforos de nuestro sistema nervioso. Si un potencial de acción es lo suficientemente significativo, puede transmitirse a otros nervios, que pueden bloquear o transmitir el mensaje. Las dendritas son fundamentales para comprender el cerebro porque son el núcleo de lo que determina el poder computacional de las neuronas individuales.
Estos son los fundamentos lógicos de nuestro cerebro: ondas de voltaje que se pueden comunicar colectivamente de dos formas:
* Un mensaje AND. Si se activan X e Y, el mensaje se transmite.
* Un mensaje OR. Si se activa X o Y, el mensaje se transmite.
Podría decirse que en ninguna parte es esto más complejo que en la sección exterior densa y arrugada del sistema nervioso central humano – la corteza cerebral. Las capas segunda y tercera más profundas son especialmente gruesas y están repletas de ramas que llevan a cabo funciones de orden superior que asociamos con la sensación, el pensamiento y el control motor.
Fueron los tejidos de estas capas los que los investigadores observaron de cerca, conectando las células a un dispositivo llamado abrazadera de parche somato-dendrítico para enviar potenciales activos arriba y abajo de cada neurona, registrando sus señales.
Para asegurarse de que los descubrimientos no fueran exclusivos de las personas con epilepsia, verificaron dos veces sus resultados en un puñado de muestras tomadas de tumores cerebrales.
Si bien el equipo había llevado a cabo experimentos similares en ratas, los tipos de señales que observaron zumbando a través de las células humanas fueron muy diferentes.
Más importante aún, cuando dosificaron las células con un bloqueador de los canales de sodio llamado tetrodotoxina, aún encontraron una señal. Solo al bloquear el calcio todo se calmó.
Encontrar un potencial de acción mediado por calcio es bastante interesante. Pero modelar la forma en que este nuevo tipo de señal sensible funcionaba en la corteza reveló una sorpresa.
Además de las funciones lógicas de tipo AND y OR, estas neuronas individuales podrían actuar como intersecciones OR (XOR) ‘exclusivas’, que solo permiten una señal cuando otra señal se califica de una manera particular. Los investigadores informaron que tradicionalmente, se ha pensado que la operación XOR requiere una solución de red.
Se necesita más trabajo para ver cómo se comportan los dCaAP en neuronas enteras y en un sistema vivo. Sin mencionar si es una cosa humana, o si mecanismos similares han evolucionado en otras partes del reino animal.
La tecnología también busca inspiración en nuestro propio sistema nervioso para desarrollar un mejor hardware; saber que nuestras propias células individuales tienen algunos trucos más bajo la manga podría conducir a nuevas formas de conectar transistores en red.
Exactamente cómo esta nueva herramienta lógica comprimida en una sola célula nerviosa se traduce en funciones superiores es una pregunta que los futuros investigadores deben responder.
La interfaz cerebro-máquina
Con interfaces cerebro-máquina, la realidad se encuentra con la ciencia ficción. Ahora,
el cerebro controla una computadora, sin utilizar músculos ni nervios periféricos. Esto ha sido posible gracias al encuentro de las tecnologías informáticas y la investigación básica en neurociencia. Desde videojuegos hasta tratamientos médicos, las aplicaciones son numerosas.
Sabemos cada vez mejor cómo medir la actividad cerebral, decodificarla y controlarla. Tanto es así que la actividad cerebral puede impulsar directamente las máquinas. Las interfaces cerebro-máquina permiten navegar en mundos virtuales, en nuevos tipos de videojuegos, pero también en el ámbito médico.
La inteligencia artificial convierte las señales cerebrales en habla
Esta tecnología podría ayudar a restaurar la capacidad de hablar en personas con daño cerebral o trastornos neurológicos como epilepsia, enfermedad de Alzheimer, esclerosis múltiple, enfermedad de Parkinson u otras enfermedades.
El nuevo sistema muestra que es posible crear una
versión sintetizada de la voz de una persona controlada por su cerebro. En el futuro este sistema no sólo podría restablecer una comunicación fluida con personas con un alto deterioro del habla, sino que también podría reproducir parte de la musicalidad de la voz humana, la que transmite emociones y la personalidad del hablante.
La ventaja de la inteligencia artificial es que realmente puede ayudar a las personas con problemas del habla o que han perdido la capacidad de comunicarse tras un derrame cerebral u otras enfermedades.
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El cerebro capta señales de amenaza y las convierte en miedo
Los científicos de la Fundación Clayton para la Biología de Péptidos de Salk han descubierto, en un estudio publicado en Cell Reports de agosto 2022, una vía molecular que destila imágenes, sonidos y olores amenazadores en un solo mensaje: ten miedo.
La mayoría de las amenazas externas implican señales multi-sensoriales, como el calor, el humo y el olor de un incendio forestal. Investigaciones anteriores han demostrado que diferentes vías transmiten de forma independiente señales de amenaza auditivas, visuales y táctiles a múltiples áreas del cerebro. Un camino único que incorpore todas estas pistas sería beneficioso para la supervivencia, pero nadie había encontrado nunca tal camino.
Investigaciones anteriores también han demostrado que la amígdala, que inicia respuestas conductuales y forma recuerdos de miedo ante estímulos ambientales y emocionales, recibe fuertes aportes de regiones del cerebro que están cargadas con una sustancia química asociada con la aversión: el neuropéptido CGRP (péptido relacionado con el gen de la calcitonina).
Una molécula llamada CGRP permite a las neuronas en dos áreas separadas del cerebro agrupar señales sensoriales amenazantes en una señal unificada, marcarla como negativa y transmitirla a la amígdala, que traduce la señal en miedo.
Basándose en estos dos grupos de investigación, propusieron que las neuronas CGRP, que se encuentran particularmente en las subregiones del tálamo y del tronco encefálico, transmiten información multi-sensorial sobre amenazas a la amígdala. Estos circuitos pueden generar respuestas conductuales apropiadas y ayudar a formar recuerdos aversivos de señales de amenaza.
En conjunto, sus hallazgos muestran que dos poblaciones distintas de neuronas CGRP – una en el tálamo y la otra en el tronco del encéfalo – se proyectan en áreas no superpuestas de la amígdala, formando dos circuitos distintos. Ambas poblaciones codifican imágenes, sonidos, olores, sabores y toques amenazantes comunicándose con redes cerebrales locales. Finalmente, descubrieron que ambos circuitos son necesarios para formar recuerdos aversivos, aquellos que te dicen: "Aléjate". Esto sugiere que los circuitos aquí reportados también pueden estar involucrados en trastornos psiquiátricos relacionados con la percepción de amenazas.
La investigación podría conducir a nuevas terapias para trastornos relacionados con el miedo, como el trastorno de estrés postraumático (TEPT) o trastornos de hipersensibilidad como el autismo, las migrañas y la fibromialgia.
Los implantes cerebrales que decodifican el lenguaje directamente desde el cerebro avanzan rápidamente
Los implantes cerebrales, que permiten a los pacientes privados de la capacidad de hablar expresarse a través de una pantalla, han experimentado grandes avances técnicos. Devolver el habla a quienes han perdido la capacidad de hablar debido a una enfermedad o un accidente es cada vez más plausible, según dos experimentos de implantes cerebrales publicados en la revista científica Nature de agosto 2023.
Investigadores del Departamento de Neurocirugía de la Universidad de Stanford
Pat Bennett, de 68 años, era una ejecutiva dinámica y atlética hasta que le diagnosticaron la enfermedad de Charcot hace más de una década. Esta enfermedad neurodegenerativa, que va privando progresivamente a la paciente de todo movimiento hasta la parálisis total, se reflejó en ella primero en dificultades en el habla y luego en la imposibilidad de hablar.
En marzo de 2022, los investigadores implantaron cuatro pequeños cuadrados de 64 microelectrodos fabricados de silicona. Al penetrar sólo 1,5 milímetros en la corteza cerebral, registran las señales eléctricas producidas por las áreas del cerebro relacionadas con la producción del lenguaje.
Las señales producidas se transmiten fuera del cráneo a través de un haz de cables y se procesan mediante un algoritmo. La máquina "aprendió", durante cuatro meses, a interpretar su significado. Asocia señales con fonemas, los sonidos que forman las palabras de un idioma, y los procesa con la ayuda de un modelo de lenguaje.
Con su interfaz cerebro-máquina (BMI), Pat Bennett habla a través de una pantalla a un ritmo de más de 60 palabras por minuto. Todavía lejos de las 150 a 200 palabras por minuto de una conversación estándar, pero ya tres veces más rápido que el récord anterior, que data de 2021 y que ya ostenta el equipo que la tomó bajo su protección. La tasa de error en un vocabulario de 50 palabras ha caído a menos del 10%, contrario al más del 20% anteriormente.
Investigadores de la Universidad de California
En el segundo experimento, el dispositivo se basa en una tira de electrodos colocados sobre la materia cortical. Su rendimiento es comparable al sistema del equipo de Stanford, con una media de 78 palabras por minuto, cinco veces más rápido que antes.
Un gran salto para la paciente, parapléjica desde una hemorragia en el tronco del encéfalo, y que hasta ahora se comunicaba a un ritmo máximo de 14 palabras por minuto, utilizando una técnica de seguimiento de los movimientos de la cabeza.
La particularidad del dispositivo reside en el análisis de las señales emitidas no sólo en las zonas directamente relacionadas con el lenguaje, sino también, más ampliamente, en la corteza sensorio-motora, que activa los músculos faciales y orales para producir sonidos.
La interfaz cerebro-máquina produce lenguaje en forma de texto, pero también con una voz sintetizada y un avatar que reproduce las expresiones faciales del paciente cuando habla.
El equipo ahora apunta a una versión inalámbrica del dispositivo, lo que tendría profundas implicaciones para la independencia y las interacciones sociales del paciente.
En ambos experimentos, la tasa de error aumenta hasta aproximadamente el 25% cuando las pacientes utilizan un vocabulario de varias decenas de miles de palabras.
Los recuerdos musculares se "comprimen y descomprimen" en el cerebro, como archivos de computadora
Científicos del Centro para la Salud del Cerebro Humano de la Universidad de Birmingham en un estudio, publicado en el Journal of Neuroscience de febrero 2023, revelaron lo que sucede en el cerebro cuando las personas planifican y ejecutan patrones de movimiento aprendidos.
Aprovechar nuestra "memoria muscular" para atarse los zapatos o tocar un instrumento puede parecer automático, pero para ejecutar estos movimientos aprendidos, el cerebro estalla en una ráfaga de actividad, "abriendo" y "comprimiendo" rápidamente toda la información clave sobre el movimiento que se está realizando.
Los investigadores utilizaron una técnica de escaneo cerebral llamada resonancia magnética funcional (fMRI) para recopilar instantáneas del cerebro de las personas mientras tocaban melodías simples en un teclado. La resonancia magnética funcional rastrea el flujo de sangre oxigenada a través del cerebro y, debido a que las células cerebrales activas requieren más oxígeno que las inactivas, las exploraciones proporcionan una medida indirecta de la actividad cerebral.
Los 24 participantes del estudio – ninguno de ellos músicos capacitados – aprendieron melodías simples de teclado con una sola mano durante varios días y luego se les pidió que tocaran estas secuencias de memoria mientras estaban en el escáner de resonancia magnética funcional. En cada prueba en el escáner, el participante recibiría una señal visual para prepararse para interpretar una de las melodías y luego una segunda señal para ejecutarla.
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Escáneres cerebrales de personas
mientras tocaban una secuencia
simple de notas en un teclado |
En algunos de los ensayos, los participantes no recibieron la segunda señal, por lo que los investigadores obtuvieron instantáneas del cerebro tanto planificando como ejecutando movimientos.
Estos escáneres revelaron que las regiones relacionadas con el movimiento de la arrugada superficie exterior del cerebro – la corteza cerebral – se iluminaban durante la etapa de planificación, y esta actividad reflejaba el orden y el momento de las notas siguientes. En otras palabras, patrones específicos de actividad cerebral se tradujeron de manera confiable en secuencias particulares de notas y, por separado, otros patrones de actividad reflejaron la duración de esas notas.
Esto sucede muy rápida y automáticamente cada vez en los cientos de milisegundos antes de que comience la acción. Luego, cuando llega el momento de tocar las notas, estos patrones separados que representan el orden y la sincronización de las notas se integran o "comprimen", lo que da como resultado un patrón nuevo y único de actividad cerebral.
Los patrones integrados eran aquellos que eran únicos para una combinación particular de orden y sincronización de pulsación de teclas, no algo que se transfiriera a través de estas combinaciones. Así, el cerebro pasó de manejar cada elemento del movimiento por separado, como la pintura y un lienzo, a considerarlos una unidad única e integrada, como un cuadro completo.
Se cree que dos regiones, conocidas como áreas pre-motora y parietal, almacenan información de "alto nivel" sobre los movimientos; en este caso, el orden y el momento de las pulsaciones de teclas. La corteza motora primaria, que se comunica con los músculos a través de la médula espinal, maneja sólo información de "bajo nivel": mientras que los músculos de los dedos y antebrazos realmente necesitan activar para que se produzcan las pulsaciones de teclas.
Se descubrió que las áreas consideradas de "bajo nivel" y solo capaces de comunicar comandos fijos a los músculos posteriores se actualizan constantemente en función del orden y los desafíos de sincronización de un movimiento, por lo que participan dinámicamente en la planificación y ejecución del movimiento.
El equipo está estudiando actualmente la memoria muscular en el contexto de trastornos como la dispraxia, un trastorno neurológico que afecta la capacidad de planificar y coordinar movimientos. Su trabajo también podría ser útil para ayudar a las personas a recuperar sus habilidades motoras después de haber sufrido un derrame cerebral.
El equipo también está comenzando a estudiar el aprendizaje motor en músicos capacitados, además de los novatos.
Los músicos con un dominio experimentado de los dedos y su control de secuencia y tiempo son similares a los atletas de élite. Puede ser que, en individuos altamente entrenados, ciertas secuencias de movimiento queden "programadas" en la corteza motora y los rápidos ajustes a las características de alto nivel de esos movimientos puedan desarrollarse de manera diferente que en los cerebros de los novatos.
Descubrimiento de misteriosas señales cerebrales en “espiral”, que podrían ser la clave de nuestra cognición
Científicos de la Universidad de Sydney y la Universidad de Fudan, en un estudio publicado en Nature Human Behavior de junio de 2023, revelaron que descubrieron ondas en forma de espirales extendidas por toda la capacidad externa de la célula neuronal.
La corteza cerebral es la capacidad más externa del cerebro y es el mayor lugar de integración neuronal en el sistema nervioso central, comprendiendo entre 14 y 16 mil millones de neuronas. Desempeña un papel clave en muchas de las funciones cognitivas más complejas, como la atención, la percepción, el pensamiento, la memoria, el lenguaje y la conciencia. Las señales cerebrales descubiertas por los investigadores se propagan por toda la corteza y parecen omnipresentes, tanto en reposo como en tareas cognitivas.
“Puentes” para procesar la información más rápidamente
Fue mediante el examen de imágenes cerebrales por resonancia magnética funcional (fMRI) de alrededor de 100 adultos jóvenes que el equipo identificó por primera vez estas extrañas espirales cerebrales, que se extienden a través de la corteza. Estaban presentes en el cerebro de todos los participantes.
Según ellos, aún no se ha aclarado su función exacta, pero estas señales parecen desempeñar
un papel en la organización de la actividad cerebral y el procesamiento cognitivo. Las propiedades de estas espirales cerebrales, como sus direcciones y ubicaciones de rotación, son relevantes para las tareas y pueden usarse para clasificar diferentes tareas cognitivas.
Se dieron cuenta de que las espirales cerebrales giran alrededor de puntos centrales a los que llaman "centros de singularidad de fase", mientras que los propios centros se propagan a través de la corteza, produciendo una rica dinámica espacio-temporal. Precisan que las espirales pueden viajar hasta unos diez centímetros en la corteza. El equipo también informa que las distribuciones en espiral en los hemisferios izquierdo y derecho muestran cierto grado de simetría; de hecho, observaron que los grupos de espirales de direcciones de rotación opuestas tienden a estar en las mismas regiones funcionales de los dos hemisferios.
También parece que las espirales emergen a menudo en los límites que separan las diferentes redes funcionales del cerebro. Esta ubicación particular sugiere que podrían actuar como "puentes de comunicación", conectando efectivamente la actividad cerebral con diferentes regiones o redes neuronales del cerebro a través de su movimiento de rotación. Algunas de las espirales observadas eran lo suficientemente grandes como para abarcar múltiples redes.
Las complejas interacciones entre múltiples espirales coexistentes podrían permitir que los cálculos neuronales se realicen de manera distribuida y paralela, lo que conduciría a una notable eficiencia computacional.
Hacia una mejor comprensión del cerebro y sus patologías
Los investigadores descubrieron que estas espirales cerebrales que interactúan permiten una reconfiguración flexible de la actividad cerebral durante diversas tareas que involucran el procesamiento del lenguaje natural y la memoria de trabajo. Cuando a los participantes del estudio se les pidió que realizaran ciertas tareas – responder una pregunta de matemáticas o escuchar una historia, por ejemplo –, las espirales cambiaron de dirección en el sentido de las agujas del reloj al sentido contrario a las agujas del reloj en diferentes regiones del cerebro. Esto sugiere que coordinan la actividad cerebral cambiando su dirección de rotación. Su distribución también es específica de la tarea.
Dado que la ubicación y dirección de rotación de las espirales cerebrales son específicas de la tarea, estas características pueden usarse para clasificar de manera confiable las diferentes etapas del procesamiento cognitivo en curso.
Su estudio sugiere que comprender mejor cómo se relacionan las espirales con el procesamiento cognitivo podría mejorar significativamente la comprensión de la dinámica y la función del cerebro. Una mejor comprensión de las funciones fundamentales del cerebro podría ayudar, al mismo tiempo, a comprender mejor los efectos de determinadas enfermedades, como la demencia o la parálisis cerebral, que afectan directamente a la corteza.
El equipo cree que su descubrimiento podría tener el potencial de avanzar en el desarrollo de computadoras sofisticadas, directamente inspiradas en el complejo funcionamiento del cerebro humano. Los investigadores esperan que su estudio anime a otros neurocientíficos a observar fenómenos a mayor escala en el cerebro, para obtener una imagen más completa de cómo funciona.
Las señales cerebrales permiten detectar actividades cognitivas y motoras que, aplicadas a
diversos campos de estudio, pueden aportar al desarrollo y mejorar de la calidad de vida de las personas.
