El grupo que dirige el investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) Luis M. Martínez ha participado en el desarrollo de un modelo matemático alternativo para el estudio de la estructura de los circuitos neuronales de la corteza cerebral, paso previo para comprender cuál es la función de este manto de tejido nervioso que juega un papel crucial en el cerebro.
Los resultados del trabajo, que aparecen publicados en el último número de la revista Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias de EEUU, ofrecen una visión de la corteza diferente de los modelos teóricos vigentes. Mientras que éstos asumen que las neuronas mantienen sinapsis (conexiones entre dos neuronas) mayoritariamente con otras neuronas vecinas, el nuevo modelo desvela la alta proporción conexiones de larga distancia.
Como explica Martínez, descifrar la estructura de los circuitos neuronales de la corteza y conocer cómo esa estructura influye en su papel dentro del cerebro no es un objetivo sencillo. “Describir la estructura sináptica de un sólo circuito de la corteza, por ejemplo el encargado de resolver la orientación de los bordes de un objeto en nuestro campo visual, requeriría la reconstrucción completa de esa zona de la corteza visual primaria a nivel de microscopia electrónica, algo que actualmente es técnicamente inaccesible”, añade.
Para conocer los principios que rigen la conectividad entre neuronas dentro de uno de los circuitos que componen la corteza, el equipo de trabajo codirigido por el investigador ha propuesto una aproximación experimental alternativa. El nuevo método se basa en el concepto de sinapsis potencial, es decir, aquellas zonas del circuito cortical en las que dos neuronas podrían conectarse, ya que las dos prolongaciones de las neuronas que propician la conexión –dendrita y axón- están a una distancia suficiente como para tocarse.
El modelo combina la reconstrucción tridimensional con métodos computacionales basados en sofisticados análisis estadísticos. “De esta forma, partiendo de la reconstrucción en 3D de neuronas de las distintas capas corticales podemos calcular mapas geométricos de conectividad de una columna, la unidad básica de procesamiento de información en la corteza. Estos mapas estadísticos nos muestran las sinapsis potenciales que se establecen entre neuronas localizadas en cualquier punto del circuito”, aclara Luis M. Martínez.
Contraste con los modelos vigentes
Los resultados obtenidos con este nuevo método contrastan con los modelos teóricos vigentes de la función cortical, que asumen que la mayor parte de las sinapsis se establecen entre neuronas ocurren en el mismo vecindario, es decir, están localizadas en la misma columna (dentro de espacio de unas 500 micras de diámetro). “Nuestro trabajo argumenta en contra de esta visión básicamente local de la corteza cerebral y en contra de los modelos funcionales de la corteza visual primaria que se derivan de ella, dada la alta proporción demostrada de sinapsis no locales en los circuitos corticales”, incide el experto.
A través de este estudio, co-desarrollado en el Instituto de Neurociencias (centro mixto del CSIC y la Universidad Miguel Hernández), se ha observado, entre otros datos, que el 92% de las sinapsis excitadoras establecidas cerca del eje central de una columna de orientación de 200 micras de diámetro son realizadas por neuronas que están localizadas fuera de esa columna. Y ese porcentaje sigue siendo muy alto, del 76%, en el caso de columnas de la corteza con un diámetro mucho mayor (800 micras).
“Nuestra demostración de que el circuito cortical se caracteriza por una alta proporción de sinapsis excitadoras no locales tiene así una gran relevancia a la hora de interpretar correctamente los resultados de experimentos realizados en rodajas de cerebro mantenidas in vitro, que actualmente es la técnica más utilizada para estudiar la conectividad en circuitos corticales”, señala Luis M. Martínez.
En estos experimentos, habitualmente se utilizan rodajas de 300 micras de grosor cortadas perpendicularmente a la superficie cortical. Nuestros análisis indican que, en estas rodajas, el número de sinapsis excitadoras se reduce a tan sólo un 10% del total real y el de conexiones inhibidoras a un 38%. Por lo tanto, “queda demostrado que los estudios electrofisiológicos realizados en secciones de tejido cortical por un lado infravaloran significativamente el grado de conectividad real, especialmente en lo que atañe a las conexiones menos fuertes y las de larga distancia, y por otro alteran el equilibrio excitador-inhibidor fisiológico existente en la corteza cerebral volviéndola menos excitable”, concluye el investigador.
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Referencia bibliográfica:
Armen Stepanyants, Luis M. Martinez, Alex S. Ferecskó y Zoltán F. Kisvárday, "The fractions of short- and long-range connections in the visual cortex", PNASdoi: 10.1073/pnas.0810390106.
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