Un método matemático innovador para el análisis de códigos neuronales multiplexados
El código neuronal describe el modo en que el cerebro traduce estímulos externos en patrones de actividad de las poblaciones neuronales. Se trata de un patrón conjunto de señales que determina la relación entre la respuesta neuronal y el estímulo. En este contexto, la codificación neuronal investiga el vínculo entre el estímulo y la respuesta neuronal concreta, mientras que la decodificación neuronal hace exactamente lo contrario. La información se presenta y transmite en el cerebro a través de la actividad eléctrica determinada por los potenciales de acción entre las células nerviosas, un fenómeno conocido como activación neuronal o «disparo neuronal». El código temporal consiste en la identificación de los patrones temporales perfectamente sincronizados de actividad neuronal que portan la mayoría de la información sobre los estímulos externos. Los investigadores del proyecto ETIC diseñaron técnicas computacionales y ópticas novedosas para cuantificar con mayor precisión y resolución temporal los patrones de los potenciales de acción emitidos por las neuronas mediante la combinación de algoritmos sofisticados de barrido y técnicas avanzadas de microscopía. Descifrar el código neuronal a través de métodos computacionales novedosos «Nuestro objetivo a largo plazo es descubrir cómo los circuitos del cerebro codifican la información del mundo exterior y utilizarla para generar comportamientos apropiados», comenta el doctor Stefano Panzeri, coordinador del proyecto ETIC y beneficiario de una beca de investigación Marie Skłodowska-Curie, junto con el doctor Fellin, coinvestigador principal del proyecto. Este proyecto contribuyó al desarrollo de la tecnología óptica necesaria para observar la actividad de un gran número de neuronas. A diferencia de las tecnologías anteriores, la tecnología de ETIC presenta una mayor resolución temporal y una mejor relación señal-ruido (RSR). El diseño de un nuevo algoritmo permitió a los investigadores examinar las neuronas de forma más eficiente, lo que llevó a un control más preciso de su actividad con respecto a la RSR. «También hemos demostrado mediante experimentos verdaderos, usando la microscopía de excitación de dos fotones del cerebro vivo y funcional, que la aplicación práctica de nuestro algoritmo mejora enormemente la RSR en la imaginología de poblaciones neuronales en comparación con los métodos de exploración estándar de última generación disponibles comercialmente», agrega el doctor Panzeri. Aplicaciones terapéuticas futuras en enfermedades neurológicas El siguiente paso de este proyecto consistirá en utilizar sistemáticamente esta nueva herramienta para observar el cerebro «in vivo» durante la realización de tareas cognitivas, y utilizar los nuevos datos con mayor resolución temporal y mayor RSR en varias poblaciones celulares. «Una vez que descubramos el código que emplean las neuronas para codificar información sensorial, trataremos de determinar cómo manipular la actividad neuronal con la optogenética a fin de recabar los patrones neuronales que corresponden a diferentes percepciones, como diferentes sonidos, olores o sensaciones táctiles», afirma el doctor Panzeri. La optogenética es una técnica especializada que utiliza la luz para controlar la actividad eléctrica de las células en tejidos vivos y permite el control de los potenciales de acción en neuronas individuales. En concreto, la optogenética induce patrones muy precisos de potencial de acción en el cerebro. La perspectiva de futuro de esta tecnología es la manipulación del código neuronal en pos de crear sensaciones artificiales para su aplicación terapéutica en pacientes que han perdido el uso de los órganos sensoriales periféricos pero que todavía presentan una corteza cerebral funcional para procesar la información sensorial. El éxito de la aplicación de la optogenética para evocar sensaciones requiere la identificación de un marco teórico novedoso que caracterice no solo cómo se codifica la información en patrones de actividad neuronal, sino también cómo el cerebro la interpreta para evocar una sensación. «Actualmente estamos trabajando en el desarrollo de esta tecnología matemática y estudiando el potencial de nuestra tecnología para el desarrollo de productos en un entorno comercial», concluye el doctor Panzeri.
Palabras clave
ETIC, código neuronal, RSR, optogenética, actividad neuronal