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AVANCES
NEURO CIENCIA
Dinámica colectiva de las redes neuronales
Las células nerviosas en cultivo muestran una sorprendente capacidad de autoorganización.
Mediante la focalización del ruido transforman su aparente desorden en actividad coordinada
JAUME C A SADEMUNT, JAVIER G . ORL ANDI Y JORDI SORIANO
S
i un conjunto de neuronas son aban-
encuentran en estado de reposo. Se sabe
cultivo es que existe algún tipo especial
donadas a sí mismas en un medio
que en el cerebro, esta situación de reposo
de neuronas «líder», quizá diferenciadas
artificial donde pueden vivir y cre-
ejerce un papel fundamental en la coordi-
a escala genética, o quizá definidas como
cer, desarrollan de forma espontánea su
nación de procesos cognitivos y motores,
tales por alguna propiedad de la red, que
propia red de conexiones. A los pocos días,
aunque se desconocen los mecanismos
podrían encargarse de sincronizar todo
establecen un patrón colectivo de activi-
concretos que la generan y regulan.
el sistema. Aunque esta hipótesis goza de
dad autoorganizada, en que miles de estas
De esta forma, entender el compor-
cierto atractivo, no existen pruebas que la
células nerviosas se sincronizan y generan
tamiento colectivo primario (no dirigido) de
impulsos eléctricos simultáneos con una
una red neuronal en cultivo y los patrones
Según constatamos en un estudio pu-
gran regularidad temporal.
de comportamiento a que da lugar nos per-
blicado en 2013 en Nature Physics, buena
apoyen.
Esta sorprendente transición de un co-
mite comprender el modo en que se hallan
parte de los mecanismos colectivos en
lectivo de neuronas idénticas de un estado
programadas las neuronas en tanto que
redes neuronales responden a principios
de actividad aleatoria (ruido) a uno alta-
unidades elementales del sistema nervioso.
físicos, por lo que son de naturaleza ge-
mente coordinado (coherente), en forma
También revela las fuerzas fundamentales
neral y extrapolables a los tejidos neuro-
de pulsación periódica, puede contribuir al
que rigen el comportamiento colectivo.
nales del organismo humano. A partir de
estudio de la actividad espontánea de las
experimentos en cultivos neuronales y de
redes neuronales cuando no desarrollan
Focalización del ruido
ninguna función ni se hallan sometidas
La hipótesis más simple para explicar la
de la red neuronal, con las que es posible
a estímulos externos, es decir, cuando se
aparición de la pulsación periódica del
estudiar conjuntos de neuronas idénticas,
simulaciones por ordenador de la dinámica
constatamos que el fenómeno en cuestión
podría explicarse a partir de la actividad
Neuronas
ruidosa de la red, es decir, la que se origina
en la actividad aleatoria y espontánea de
las neuronas.
OBTENCIÓN DE CULTIVOS NEURONALES
Sustrato
JORDI SORIANO, UNIVERSIDAD DE BARCELONA
De 1 a 2 semanas
0,1 mm
Red neuronal en cultivo
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Sobre un sustrato de vidrio y en un entorno bioquímico favorable se distribuyen las
neuronas procedentes de un tejido cerebral
(izquierda), las cuales desarrollan conexiones
entre sí y muestran una actividad colectiva
al cabo de unos 7 a 14 días. Así, en un cultivo
de una región pequeña de la corteza cerebral de una rata se aprecian, dos semanas
tras su preparación, las neuronas gracias a la
densidad de sus conexiones (derecha, arriba).
La técnica de flourescencia de calcio permite
ver la actividad coherente de la red (derecha,
abajo), pues casi todas las neuronas aparecen brillantes, es decir, activas, en un corto
espacio de tiempo.
MENTE Y CEREBRO XX - 2013
Mapa de probabilidad de iniciar una onda
la actividad generada por el ruido fluye a
través del sistema y se concentra en unos
Mínimo
Máximo
pocos puntos. En estos, la focalización de
actividad se torna explosiva, con lo que se
genera una onda de excitación que se propaga por todo el cultivo.
La gran velocidad de la onda provoca
que, en apariencia, el sistema completo
JAVIER G. ORLANDI, UNIVERSIDAD DE BARCELONA
JAVIER G. ORLANDI, UNIVERSIDAD DE BARCELONA
se active de forma simultánea. Sin embargo, las imágenes de alta velocidad
muestran un pequeño retraso por la distancia con el punto de inicio de la onda.
Este último sucede al azar, pues si bien
puede pronosticarse con relativa preci1 mm
sión cuándo ocurrirá el siguiente pulso,
resulta imposible predecir dónde va a co-
INICIO DE ONDAS
menzar. Ello corrobora el origen aleatorio
Las ondas aparecen al azar en cualquier
punto del cultivo con una probabilidad distribuida de forma inhomogénea (en amarillo,
las zonas de máxima probabilidad; en azul
oscuro, las menos probables). En este cultivo
aparecen cuatro zonas donde se inician casi
todas las ondas.
del fenómeno de generación de las ondas
de excitación.
Sin director
La emergencia espontánea de coherencia
a partir del desorden, de armonía a partir
del ruido, como resultado de la autoorganización de un colectivo de elementos idén-
No obstante, el hecho de que un com-
ticos, es un fenómeno sorprendente, que
portamiento tan regular pueda originarse
vendría a asimilar las redes neuronales a
en el ruido de fondo, de naturaleza intrín-
una especie de orquesta sin director.
secamente aleatoria, no dejaba de resultar
Aunque aprender acerca del cerebro a
paradójico. La explicación la encontramos
partir de un modelo tan sencillo como un
en lo que bautizamos como «focalización
cultivo de unos miles de células nerviosas
de ruido».
puede parecer cuando menos cuestionable,
Según observamos, la actividad azarosa
esta estrategia está resultando de enorme
generada por ruido se propaga a través de
utilidad para arrojar luz sobre el compor-
las conexiones de la red y es amplificada
tamiento colectivo de las neuronas. Un
en cascada, dando lugar a avalanchas de
cultivo de células nerviosas resulta mucho
actividad que pueden llegar a involucrar a
más versátil y fácil de manipular y contro-
un gran número de neuronas. Debido a que
lar con precisión que los tejidos nerviosos
el grado de amplificación depende de los
humanos, así como más accesible a todo
detalles locales de la red, unas zonas am-
tipo de técnicas de visualización y de me-
plificarán mejor que otras. De esta manera,
dida, incluidas aquellas más agresivas.
MENTE Y CEREBRO XX - 2013
RUIDO FOCALIZADO
La imagen muestra la distribución espacial
de las neuronas y sus conexiones en un cultivo. Los puntos de mayor tamaño representan las neuronas con una actividad destacada. Asimismo, solo aparecen las conexiones
que más participan en la focalización del
ruido. Según se aprecia, existe una tendencia
a que se formen pequeños núcleos de neuronas interconectadas que definen las zonas
de alta probabilidad de inicio de las ondas.
J. Casademunt, J. G. Orlandi y J. Soriano
Dpto. de estructura y constituyentes de la materia
Facultad de física
Universidad de Barcelona
Para saber más
The physics of living neural networks. J.-P.
Eckmann et al. en Physics Reports, vol. 449,
págs. 54-76, 2007.
Neuronal networks: Focus amidst the noise. J.
M. Beggs en Nature Physics, vol. 9, págs. 533534, 2013.
Noise focusing and the emergence of coherent
activity in neuronal cultures. J. G. Orlandi et al.
en Nature Physics, vol. 9, págs. 582-590, 2013.
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