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Una nueva investigación permite observar directamente y en tiempo real la neuroplasticidad durante el sueño

Aunque las premoniciones son cosa de fantasía, resulta que algunos sueños pueden predecir el futuro. Una nueva investigación ha descubierto que, durante el sueño, algunas neuronas no sólo reproducen el pasado reciente, sino que también anticipan experiencias futuras.

Este descubrimiento forma parte de una serie de descubrimientos aportados por un estudio sobre el sueño y el aprendizaje publicado en Nature por un equipo de investigadores de la Universidad Rice y la Universidad de Michigan. La investigación ofrece una visión sin precedentes de cómo las neuronas individuales del hipocampo de las ratas estabilizan y afinan las representaciones espaciales durante los periodos de descanso que siguen a la primera vez que los animales recorren un laberinto.Kourosh Maboudi es investigador postdoctoral en la Universidad de Michigan y autor principal del estudio. Fotografía cortesía de Kamran Diba

Kourosh Maboudi es investigador postdoctoral en la Universidad de Michigan y autor principal del estudio. Fotografía cortesía de Kamran Diba

«Ciertas neuronas se disparan en respuesta a estímulos específicos», explica Kamran Diba, profesor asociado de anestesiología en Michigan y autor correspondiente del estudio. «Las neuronas de la corteza visual se disparan cuando se les presenta el estímulo visual apropiado. Las neuronas que estudiamos muestran preferencias de lugar».

Junto con colaboradores del Laboratorio de Circuitos Neuronales y Memoria de Michigan, dirigido por Diba, el neurocientífico de Rice Caleb Kemere ha estado estudiando el proceso por el que estas neuronas especializadas producen una representación del mundo tras una nueva experiencia. En concreto, los investigadores rastrearon ondulaciones de ondas agudas, un patrón de activación neuronal que se sabe que desempeña un papel en la consolidación de nuevos recuerdos y que, más recientemente, también se ha demostrado que marca qué partes de una nueva experiencia se van a almacenar como recuerdos.

«En este trabajo observamos por primera vez cómo estas neuronas individuales estabilizan las representaciones espaciales durante los periodos de descanso», afirma Kemere, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y de bioingeniería en Rice.

EL MOTIVO POR EL QUE SOÑAMOS

El sueño es fundamental para la memoria y el aprendizaje. La ciencia ha cuantificado esta antigua intuición midiendo el rendimiento en pruebas de memoria después de una siesta frente a después de un periodo de vigilia o incluso de privación de sueño.

Hace un par de décadas, los científicos también descubrieron que las neuronas del cerebro de animales dormidos a los que se había permitido explorar un nuevo escenario justo antes de descansar se disparaban de forma que reproducían las trayectorias de los animales durante la exploración. Este hallazgo concordaba con el conocimiento de que el sueño ayuda a que las nuevas experiencias cristalicen en recuerdos estables, lo que sugiere que las representaciones espaciales de muchas de estas neuronas especializadas del hipocampo son estables durante el sueño. Sin embargo, los investigadores querían saber si había algo más.

«Imaginábamos que algunas neuronas podrían cambiar sus representaciones ⎯ reflejando la experiencia que todos hemos tenido de despertarnos con una nueva comprensión de un problema», dijo Kemere. «Demostrar esto, sin embargo, requería que rastreáramos cómo las neuronas individuales logran la sintonización espacial, es decir, el proceso por el cual el cerebro aprende a navegar por una nueva ruta o entorno».

Los investigadores entrenaron a ratas para que corrieran de un lado a otro de una pista elevada con una recompensa líquida en cada extremo y observaron cómo las neuronas individuales del hipocampo de los animales hacían «picos» en el proceso. Calculando la tasa media de espigas a lo largo de muchas vueltas, los investigadores pudieron estimar el campo de posición de las neuronas, es decir, el área del entorno que más «importaba» a una neurona determinada.

«Lo más importante es que los campos de posición se calculan a partir del comportamiento del animal», explica Kemere, que subraya la dificultad de evaluar qué ocurre con los campos de posición durante los periodos de descanso, cuando el animal no se mueve físicamente por el laberinto.

«Llevo mucho tiempo pensando cómo podemos evaluar las preferencias de las neuronas fuera del laberinto, por ejemplo durante el sueño», dijo Diba. «Abordamos este reto relacionando la actividad de cada neurona individual con la actividad de todas las demás neuronas».

Esta fue la innovación clave del estudio: Los investigadores desarrollaron un método estadístico de aprendizaje automático que utilizaba las demás neuronas estudiadas para trazar una estimación de dónde soñaba estar el animal. A continuación, utilizaron esas posiciones soñadas para estimar el proceso de sintonización espacial de cada neurona en sus conjuntos de datos.

«La capacidad de rastrear las preferencias de las neuronas incluso sin un estímulo fue un avance importante para nosotros», afirma Diba.

Tanto Diba como Kemere elogiaron a Kourosh Maboudi, investigador postdoctoral en Michigan y autor principal del estudio, por su papel en el desarrollo del método de sintonización aprendida.

LAS PREDICCIONES DEL FUTURO DURANTE LOS SUEÑOS SON REALES PARA NOSOTROS

El método confirmó que las representaciones espaciales que se forman durante la experiencia de un nuevo entorno son, para la mayoría de las neuronas, estables a lo largo de varias horas de sueño tras la experiencia. Pero, como los investigadores habían previsto, la historia iba más allá.

«Lo que más me gustó de esta investigación y la razón por la que me entusiasmó tanto fue descubrir que no se trata necesariamente de que durante el sueño lo único que hagan estas neuronas sea estabilizar un recuerdo de la experiencia», explica Kemere. «Resulta que algunas neuronas acaban haciendo algo más.

«Podemos ver estos otros cambios que se producen durante el sueño, y cuando volvemos a poner a los animales en el entorno por segunda vez, podemos validar que estos cambios realmente reflejan algo que se aprendió mientras los animales estaban dormidos. Es como si la segunda exposición al espacio ocurriera realmente mientras el animal duerme».

Esto es significativo porque constituye una observación directa de la neuroplasticidad mientras está ocurriendo durante el sueño. Kemere subrayó que casi todas las investigaciones sobre plasticidad ⎯que examinan los mecanismos que permiten a las neuronas recablearse y formar nuevas representaciones⎯ analizan lo que ocurre durante los periodos de vigilia, a medida que se presentan los estímulos, y no durante el sueño, cuando los estímulos pertinentes están ausentes.

«Parece que la plasticidad o el recableado en el cerebro requieren escalas de tiempo realmente rápidas», dijo Diba, señalando la fascinante relación entre la duración de la experiencia real, «que puede ocupar el lapso de segundos, minutos, pero también horas o días», y los recuerdos reales, «que están súper comprimidos».

«Si recuerdas algo, el recuerdo ⎯ es instantáneo», dijo Diba, haciendo referencia a un famoso pasaje literario del escritor modernista francés Marcel Proust en el que un recuerdo de la infancia desenrolla todo un mundo perdido de experiencias pasadas en apenas un instante.

El estudio es un ejemplo de los avances de la neurociencia en las últimas décadas gracias al progreso tecnológico en el diseño de sondas neuronales estables y de alta resolución y a la capacidad de cálculo basada en el aprendizaje automático.

A la luz de estos avances, Kemere afirmó que la ciencia del cerebro está preparada para realizar progresos significativos en el futuro, al tiempo que expresó su preocupación por el impacto de los recientes recortes presupuestarios en la investigación continuada.

«Es muy posible que si empezáramos a trabajar hoy, no hubiéramos podido hacer estos experimentos y obtener estos resultados», dijo Kemere. «Sin duda estamos agradecidos de que se diera la oportunidad».

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