Los científicos han sabido durante mucho tiempo que el sistema visual del cerebro no está completamente cableado desde el principio, se vuelve refinado por lo que ven los bebés, pero los autores de un nuevo estudio del MIT aún no estaban preparados para el grado de cableado que observaron cuando analizaron el proceso en los ratones como sucedió en tiempo real.
A medida que los investigadores del Instituto Picower para el aprendizaje y la memoria rastrearon cientos de estructuras de “columna vertebral” que albergan conexiones de red individuales, o “sinapsis”, en las ramas de las neuronas dendrititas en la corteza visual durante 10 días, vieron que solo el 40 por ciento de las que comenzaron el proceso sobrevivieron. Refinar la visión binocular (integración de la entrada de ambos ojos) requirió numerosas adiciones y eliminaciones de espinas a lo largo de las dendritas para establecer un conjunto eventual de conexiones.
La ex alumna graduada Katya Tsimring dirigió el estudio, publicado este mes en Comunicaciones de la naturalezaque el equipo dice es el primero en el que los científicos rastrearon las mismas conexiones hasta el “período crítico”, cuando la visión binocular se refina.
“Lo que Katya pudo hacer es imaginar las mismas dendritas en las mismas neuronas repetidamente durante 10 días en el mismo ratón vivo a través de un período crítico de desarrollo, para preguntar, ¿qué sucede con las sinapsis o espinas en ellas?”, Dice la autora senior Mriganka Sur, la profesora de Paul y Lilah Newton en el Instituto de Picower y el Departamento de Cerebro del MIT y las ciencias cognitivas. “Nos sorprendió cuánto cambio hay”.
Rotación extensa
En los experimentos, los ratones jóvenes observaban como rejillas en blanco y negro con líneas de orientaciones específicas y direcciones de movimiento se desplazaron a través de su campo de visión. Al mismo tiempo, los científicos observaron tanto la estructura como la actividad del cuerpo principal de las neuronas (o “soma”) y de las espinas a lo largo de sus dendritas. Al rastrear la estructura de 793 espinas dendríticas en 14 neuronas en aproximadamente el día 1, día 5 y día 10 del período crítico, podrían cuantificar la adición y pérdida de las espinas y, por lo tanto, las conexiones sinápticas que albergaban. Y al rastrear su actividad al mismo tiempo, podrían cuantificar la información visual que las neuronas recibieron en cada conexión sináptica. Por ejemplo, una columna vertebral podría responder a una orientación o dirección específica de rejilla, varias orientaciones o no responder en absoluto. Finalmente, al relacionar los cambios estructurales de una columna vertebral en el período crítico con su actividad, buscaron descubrir el proceso por el cual el recambio sináptico refinó la visión binocular.
Estructuralmente, los investigadores vieron que el 32 por ciento de las espinas evidentes en el día 1 desaparecieron para el día 5, y que el 24 por ciento de las espinas aparentes en el día 5 se han agregado desde el día 1. El período entre el día 5 y el día 10 mostró una facturación similar: el 27 por ciento fueron eliminados, pero se agregaron el 24 por ciento. En general, solo el 40 por ciento de las espinas observadas en el día 1 todavía estaban allí el día 10.
Mientras tanto, solo cuatro de las 13 neuronas que estaban rastreando que respondieron a los estímulos visuales todavía respondieron el día 10. Los científicos no saben con certeza por qué los otros nueve dejaron de responder, al menos a los estímulos a los que una vez respondieron, pero es probable que ahora cumplan una función diferente.
¿Cuáles son las reglas?
Habiendo visto este extenso cableado y cableado, los científicos luego preguntaron qué tenía derecho a algunas espinas para sobrevivir durante el período crítico de 10 días.
Estudios anteriores han demostrado que las primeras entradas para alcanzar las neuronas de la corteza visual binocular son del ojo “contralateral” en el lado opuesto de la cabeza (por lo que en el hemisferio izquierdo, las entradas del ojo derecho llegan primero), dice Sur. Estas entradas impulsan el soma de una neurona para responder a propiedades visuales específicas, como la orientación de una línea, por ejemplo, una diagonal de 45 grados. Para cuando comienza el período crítico, las entradas del ojo “ipsilateral” en el mismo lado de la cabeza comienzan a unir la carrera a las neuronas de la corteza visual, lo que permite que algunos se conviertan en binoculares.
No es accidente que muchas neuronas de la corteza visual sean sintonizadas en líneas de diferentes direcciones en el campo de visión, dice Sur.
“El mundo está formado por segmentos de línea orientados”, señala Sur. “Pueden ser segmentos de línea larga; pueden ser segmentos de línea cortos. Pero el mundo no es solo globos amorfos con límites nebulosos. Los objetos en el mundo (árboles, el suelo, los horizontes, las cuchillas de hierba, las mesas, las sillas) están limitados por pequeños segmentos de línea”.
Debido a que los investigadores estaban rastreando la actividad en las espinas, podían ver con qué frecuencia estaban activos y qué orientación desencadenaba esa actividad. A medida que los datos se acumularon, vieron que las espinas tenían más probabilidades de soportar si (a) eran más activos, y (b) respondieron a la misma orientación que la que prefirió el soma. En particular, las espinas que respondieron a ambos ojos eran más activas que las espinas que respondieron a una sola, lo que significa que las espinas binoculares tenían más probabilidades de sobrevivir que las no binoculares.
“Esta observación proporciona evidencia convincente de la hipótesis de ‘úsalo o pierde'”, dice Tsiming. “Cuanto más activa era una columna vertebral, más probabilidades era de ser retenido durante el desarrollo”.
Los investigadores también notaron otra tendencia. A lo largo de los 10 días, los grupos surgieron a lo largo de las dendritas en las que las espinas vecinas tenían cada vez más que estuvieran activas al mismo tiempo. Otros estudios han demostrado que al agruparse juntos, las espinas pueden combinar su actividad para que sea mayor de lo que estarían de forma aislada.
Según estas reglas, en el transcurso del período crítico, las neuronas aparentemente refinaron su papel en la visión binocular al retener selectivamente las entradas que reforzaron sus preferencias de orientación en ciernes, tanto a través de su volumen de actividad (una propiedad sináptica llamada “plasticidad hebbiana”) como su correlación con sus vecinos (una propiedad llamada “plasticidad heterosináptica”). Para confirmar que estas reglas fueron suficientes para producir los resultados que estaban viendo bajo el microscopio, construyeron un modelo de computadora de una neurona y, de hecho, el modelo recapituló las mismas tendencias que lo que vieron en los ratones.
“Ambos mecanismos son necesarios durante el período crítico para impulsar la rotación de las espinas que están desalineadas al soma y a los pares vecinos de la columna”, escribieron los investigadores, “lo que finalmente conduce al refinamiento de respuestas (binoculares) como la coincidencia de orientación entre los dos ojos”.
Además de Tsimring y Sur, los otros autores del periódico son Kyle Jenks, Claudia Cusseddu, Greggory Heller, Jacque Pak Kan Ip y Julijana Gjorgjieva. Las fuentes de financiación para la investigación vinieron de los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria, y la Fundación Freedom Together.
