De la planificación de una acción en el cerebro a una respuesta de acción a esta señal

24 marzo, 2022
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El movimiento planificado es esencial para nuestra vida diaria y, a menudo, requiere una ejecución retrasada. Cuando éramos niños, estábamos en cuclillas y listos, pero esperábamos el grito de «¡VAMOS!» antes de correr desde la línea de salida. Como adultos, esperamos hasta que el semáforo cambie a verde antes de girar. En ambas situaciones, el cerebro ha planificado nuestros movimientos precisos pero suprime su ejecución hasta una señal específica (por ejemplo, el grito de «¡VAMOS!» o la luz verde). Ahora, los científicos han descubierto la red cerebral que convierte los planes en acción en respuesta a esta señal.

El descubrimiento, publicado en la revista científica Cell, es el resultado de una colaboración de científicos del Instituto de Neurociencia Max Planck de Florida, el Campus de Investigación Janelia del HHMI, el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro y otros. Dirigidos por los coautores, el Dr. Hidehiko Inagaki y el Dr. Susu Chen, y el autor principal, el Dr. Karel Svoboda, los científicos se propusieron comprender cómo las señales en nuestro entorno pueden desencadenar un movimiento planificado.

«El cerebro es como una orquesta», dijo el Dr. Inagaki. «En una sinfonía, los instrumentos tocan diversas melodías con diferentes tempos y timbres. El conjunto de estos sonidos da forma a una frase musical. De manera similar, las neuronas en el cerebro están activas con diversos patrones y tiempos. El conjunto de actividades neuronales media aspectos específicos de nuestro comportamiento. .»

Por ejemplo, la corteza motora es un área del cerebro que controla el movimiento. Los patrones de actividad en la corteza motora son dramáticamente diferentes entre las fases de planificación y ejecución del movimiento. La transición entre estos patrones es fundamental para desencadenar el movimiento. Sin embargo, se desconocían las áreas del cerebro que controlaban esta transición. «Debe haber áreas del cerebro que actúen como conductor», describió el Dr. Inagaki. «Estas áreas monitorean las señales ambientales y orquestan las actividades neuronales de un patrón a otro. El conductor se asegura de que los planes se conviertan en acción en el momento adecuado».

Para identificar el circuito neuronal que sirve como conductor para iniciar el movimiento planificado, el equipo registró simultáneamente la actividad de cientos de neuronas mientras un ratón realizaba una tarea de movimiento desencadenada por una señal. En esta tarea, los ratones fueron entrenados para lamer hacia la derecha si se tocaban los bigotes o hacia la izquierda si no se tocaban los bigotes. Si los animales lamían en la dirección correcta, recibían una recompensa. Sin embargo, había una trampa. Los animales tenían que retrasar su movimiento hasta que se reprodujera un tono, o «señal de inicio». Solo se recompensarían los movimientos correctos después de la señal de go. Por lo tanto, los ratones mantienen un plan de la dirección en la que lamerán hasta la señal de inicio y ejecutarán la lamida planificada después.

Luego, los científicos correlacionaron patrones complejos de actividad neuronal con etapas relevantes de la tarea conductual. Los investigadores encontraron que la actividad cerebral ocurre inmediatamente después de la señal de ir (GO!) y durante el cambio entre la planificación motora y la ejecución. Esta actividad cerebral surgió de un circuito de neuronas en el mesencéfalo, el tálamo y la corteza.

Para probar si este circuito actuaba como conductor, el equipo utilizó la optogenética. Este enfoque permitió a los científicos activar o desactivar este circuito usando luz. La activación de este circuito durante la fase de planificación de la tarea de comportamiento cambió la actividad cerebral del ratón de la planificación motora a la ejecución y provocó que el ratón lamiera. Por otro lado, apagar el circuito mientras se ejecutaba la señal de go suprimía el movimiento con señal. Los ratones permanecieron en una etapa de planificación motora como si no hubieran recibido la señal de ir.

Este trabajo del Dr. Inagaki y sus colegas identificó un circuito neuronal fundamental para desencadenar el movimiento en respuesta a señales ambientales. El Dr. Inagaki explica cómo sus hallazgos demuestran características generalizables del control del comportamiento. «Hemos encontrado un circuito que puede cambiar la actividad de la corteza motora de la planificación motora a la ejecución en el momento apropiado. Esto nos da una idea de cómo el cerebro orquesta la actividad neuronal para producir un comportamiento complejo. El trabajo futuro se centrará en comprender cómo funciona este circuito. y otros reorganizan la actividad neuronal en muchas regiones del cerebro».

Además de estos avances fundamentales en la comprensión de cómo funciona el cerebro, este trabajo tiene importantes implicaciones clínicas. En los trastornos motores, como la enfermedad de Parkinson, los pacientes experimentan dificultad en el movimiento autoiniciado, incluida la dificultad para caminar. Sin embargo, agregar señales ambientales para desencadenar movimientos, como líneas en el piso o tonos auditivos, puede mejorar drásticamente la movilidad de un paciente. Este fenómeno, conocido como cinesia paradójica, sugiere que se reclutan diferentes mecanismos en el cerebro para el movimiento autoiniciado y el movimiento desencadenado por señales. El descubrimiento de las redes cerebrales involucradas en los movimientos desencadenados por señales, que están relativamente intactos en la enfermedad de Parkinson, puede ayudar a optimizar el tratamiento.

Bibliografía:

  1. Hidehiko K. Inagaki, Susu Chen, Margreet C. Ridder, Pankaj Sah, Nuo Li, Zidan Yang, Hana Hasanbegovic, Zhenyu Gao, Charles R. Gerfen, Karel Svoboda. A midbrain-thalamus-cortex circuit reorganizes cortical dynamics to initiate movementCell, 2022; DOI: 10.1016/j.cell.2022.02.006

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