20/02/2020

¿Cómo recuperan las redes neuronales su función después de una pérdida de neuronas?

Una nueva herramienta experimental permite ver cómo afecta a su entorno la lesión en una red neuronal. Investigadores de la URV han participado en esta investigación

Un equipo de investigación interdisciplinario liderado por investigadores de la UB y del que ha formado parte un equipo investigador de la URV ha desarrollado una nueva herramienta experimental que permite producir un daño en una zona concreta de una red neuronal in vitro de pocos milímetros y registrar qué efectos tiene en la red entera. El objetivo de este experimento es entender los mecanismos de respuesta que tienen lugar en los circuitos neuronales del cerebro y que evitan una propagación general del daño, al tiempo que restituyen la funcionalidad de los circuitos afectados. Una de las conclusiones principales de la investigación es que la red activa rápidamente mecanismos de autorregulación que refuerzan las conexiones existentes y restituyen la operatividad del circuito.

El estudio, publicado en la revista eNEURO y liderado por Jordi Soriano, investigador del Instituto de Sistemas Complejos de la UB (ubicado), se enmarca en una colaboración interdisciplinaria entre el ubicuo, del Instituto de Neurociencias de la UB (UBNeuro), el Instituto de Ciencias Fotónicas y el grupo de investigación Alephsys, de la Universitat Rovira i Virgili.

Según explica Soriano, el experimento muestra la gran capacidad de las redes neuronales para «autorregularse y remodelarse en respuesta a cambios repentinos o alteraciones graves». También es un buen ejemplo de «la importancia de modelar redes neuronales como sistemas complejos, donde el conjunto es mucho más rico que la suma de sus partes», añade.

El cerebro, y en general las redes neuronales biológicas, tienen mecanismos de respuesta contra la pérdida de neuronas debida a daños o enfermedades. En accidentes vasculares cerebrales, por ejemplo, la pérdida de irrigación sanguínea provoca la muerte de un grupo focalizado de neuronas y una alteración de la función de los circuitos neuronales dañados. A su vez, esto altera la función de los circuitos vecinos, y potencialmente se puede iniciar una avalancha de deterioro.

Entender cómo actúan estos mecanismos a nivel de red es muy complicado, tanto por el tamaño del cerebro como por la dificultad intrínseca de seguir en detalle la evolución de un gran número de neuronas antes y después del daño. Esta dificultad se puede superar mediante el diseño de modelos in vitro como el que proponen los investigadores.

El investigador de la URV Àlex Arenas ha participado en esta investigación.

El experimento ha consistido en registrar primero la actividad de toda la red neuronal para establecer cuál es su funcionalidad característica. Luego, con un láser de alta potencia se ha eliminado de manera precisa un grupo de neuronas y, a continuación, se ha vuelto a registrar la red en detalle para seguir su desarrollo a lo largo del tiempo.

Los investigadores han observado que el grupo de neuronas más próximo a la zona afectada pierde actividad de forma inmediata, pero la va recuperando paulatinamente gracias a la acción de toda la red. «Sorprendentemente, en sólo quince minutos, este grupo alcanza niveles de actividad similares a los que tenía antes del daño, a pesar de haber perdido irreversiblemente un número significativo de impulsos provenientes de la zona afectada», explica Soriano. «Como en quince minutos no hay tiempo para establecer conexiones nuevas -detalla el investigador-, concluimos que la red actúa reforzando las conexiones existentes, reconduciendo el flujo de estímulos neuronales hacia los vecinos inmediatos de la zona afectada, evitant- su deterioro y, por tanto, un colapso progresivo de la red en forma de avalancha».

Interpretar la reacción de la red neuronal y cómo ésta se reconfigura ha sido posible gracias a la investigación en análisis teórico de datos hecha por el grupo de investigación Alephsys de la URV. “Sucede lo mismo que cuando un aeropuerto se cierra y el tráfico se redirige. Desde el punto de vista de las redes complejas es posible estudiar cuáles son los caminos de máxima eficiencia y cómo se reconducen las rutas hasta que la situación se normaliza”, explica el investigador principal de este grupo, Àlex Arenas.

El estudio, además, refuerza la importancia de los modelos in vitro como herramienta complementaria para entender la complejidad del cerebro y sus alteraciones. En este contexto, esta investigación se integra dentro del proyecto europeo MESO-BRAIN, en el que también participa Jordi Soriano. El objetivo de este proyecto es diseñar cultivos neuronales modelo que reproduzcan la estructura y la dinámica de regiones cerebrales, con el fin de estudiar de una manera controlada la acción de fármacos o terapias genéticas para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas.

Referencia bibliográfica: S. Teller, E. Estévez-Priego, C. Granell, D. Tornero, J. Andilla, O. E. Olarte, P. Loza-Álvarez, A. Arenas i J. Soriano. «Spontaneous functional recovery after focal damage in neuronal cultures». eNeuro, febrer de 2020. DOI: 10.1523/ENEURO.0254-19.2019


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