Los científicos de Stanford descubren sorprendentes funciones del cerebelo

Life Sciences Database/Wikimedia Commons
Cerebelo (latín para "pequeño cerebro") en rojo.
Fuente: Base de datos de Ciencias de la vida / Wikimedia Commons

En un descubrimiento fortuito, los neurocientíficos de la Universidad de Stanford tropezaron recientemente con funciones cognitivas del cerebelo desconocidas hasta ahora. En una serie de experimentos de ratones complejos que utilizan tecnología de imágenes cerebrales de vanguardia, los investigadores de Stanford descubrieron que las neuronas específicas (células granulares) dentro del cerebelo aprenden y responden a las recompensas anticipadas, o la falta de ellas.

El nuevo estudio del Instituto de Neurociencia de Stanford, "Células granuleras cerebelosas codifican la expectativa de recompensa", se publicó en línea el 20 de marzo antes de imprimir en la revista Nature . ( Cerebellar es la palabra hermana para cerebral y significa "relacionado o localizado en el cerebelo").

En 1504, Leonardo da Vinci realizó moldes de cera en el cerebro humano y acuñó el término "cerebelo" (en latín para "cerebro pequeño") después de identificar dos hemisferios cerebrales pequeños meticulosamente debajo de los hemisferios izquierdo-derecho relativamente humongo del "cerebro" ( Latín para "cerebro").

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Cerebrum (latín para "cerebro") en rojo.
Fuente: Base de datos de Ciencias de la vida / Wikimedia Commons

Durante siglos, los neurocientíficos han considerado al cerebelo como el asiento de actividades "no pensantes", como la coordinación y el ajuste de los movimientos musculares.

Hasta hace poco, ambos hemisferios del cerebro y las regiones corticales en el "límite de pensamiento" de la corteza cerebral se consideraban el único dominio de los procesos cognitivos. Esto está empezando a cambiar. En los últimos años, una amplia gama de estudios han comenzado a mostrar (por primera vez) que el cerebelo juega un papel misterioso pero significativo en muchas funciones cerebrales cognitivas.

Por ejemplo, en febrero de 2017, un equipo internacional de investigadores informó que el cerebelo puede desempeñar un papel previamente imprevisto en las alteraciones cerebrales asociadas con el consumo adictivo de drogas.

Estos informes que vinculan el cerebelo y la drogadicción se basaron en una amplia gama de investigaciones innovadoras publicadas en los últimos dos años. Estos hallazgos cerebelosos fueron compilados y presentados en dos revistas diferentes: Neuroscience & Biobehavioral Reviews y Journal of Neuroscience .

Al describir el objetivo de la primera revisión, "¿Hemos estado ignorando al elefante en la habitación? Siete argumentos para considerar el cerebelo como parte del circuito de adicciones ", los científicos, dirigidos por Marta Miquel Salgado-Araujo de la UJI en España, describen su misión diciendo:" Nuestro objetivo no es revisar exhaustivamente los estudios animales y humanos, sino apoyar la inclusión de las alteraciones cerebelosas como parte de la fisiopatología del trastorno de la adicción ".

Nuevas tecnologías y un descubrimiento accidental a la espera de suceder: las células granulares cerebelosas desempeñan un papel cognitivo en el procesamiento de recompensas

Courtesy of Mark Wagner
Los investigadores de Stanford han identificado una función cognitiva previamente desconocida de las células granulares del cerebelo (en verde).
Fuente: Cortesía de Mark Wagner

El informe de marzo de 2017 de Stanford sobre el vínculo entre el cerebelo y la codificación de la expectativa de recompensa encaja con la investigación antes mencionada sobre el hecho de que el cerebelo es parte de los circuitos de adicción. La nueva investigación de Stanford también avanza en nuestra comprensión del misterioso poder neuronal contenido en las 60 mil millones de células granulares de nuestro cerebro. ( Aunque el cerebelo es solo el 10 por ciento del volumen del cerebro, alberga hasta el 80 por ciento de las neuronas totales de su cerebro, la mayoría de las cuales son células granulares ) .

Uno de los aspectos más notables del nuevo estudio de Stanford es que los investigadores tropezaron accidentalmente con su descubrimiento potencialmente devastador de que las células granulares aprenden y responden a las recompensas previstas. De alguna manera, el hecho de que los investigadores no diseñaron un experimento con la intención de probar una hipótesis agrega un nivel extra de credibilidad a este primer descubrimiento de este tipo.

Mark Wagner, un becario postdoctoral en Stanford dirigió esta investigación con Tony Kim, un estudiante graduado en el laboratorio de Mark Schnitzer, profesor asociado de biología y física aplicada.

Schnitzer tiene una habilidad especial para desarrollar métodos únicos para registrar la actividad cerebral en moscas de la fruta, ratones y otros animales vivos. Un método patentado que Schnitzer desarrolló recientemente, llamado " imagen de calcio de dos fotones ", ofrecía la resolución finita que Wagner necesitaba para estudiar las células granulares microscópicas mientras los ratones estaban en movimiento.

Debido a que las células granulares están empaquetadas tan densamente dentro del cerebelo, las técnicas convencionales para registrar la actividad de células granulares no funcionan muy bien, lo que ha dejado a los neurocientíficos con una imagen incompleta de lo que el cerebelo realmente está haciendo, hasta ahora.

Courtesy of Larry Vandervert
Estos recuentos de neuronas del cerebelo y la corteza cerebral se basan en los estudios de Lent, R., et al., 2012.
Fuente: Cortesía de Larry Vandervert

Mi difunto padre, Richard Bergland, fue neurocientífico, neurocirujano y autor de The Fabric of Mind (Viking) del siglo XX. Estaba fascinado con la distribución desproporcionada de neuronas en el cerebelo. Dicho esto, mi padre se sintió frustrado por las limitaciones tecnológicas de su generación que le imposibilitaron probar empíricamente sus "conjeturas educadas" sobre lo que el cerebelo estaba haciendo en su laboratorio.

Como un disco rayado, él decía: " No sabemos exactamente qué está haciendo el cerebelo". Pero sea lo que sea que esté haciendo, está haciendo mucho de eso. "Si mi padre estuviera vivo hoy, sé que estaría loco al ver que la revolucionaria técnica de imagen de calcio de dos fotones desarrollada por Schnitzer finalmente permite a los neurocientíficos de Stanford ver la actividad de células granulares en tiempo real.

Cuando Wagner comenzó su investigación utilizando imágenes de calcio de dos fotones, estaba simplemente interesado en monitorear y registrar las células granulares en tiempo real como parte de las funciones básicas de control motor del cerebelo.

Para estudiar el control motor, Wagner y su equipo necesitaban motivar a sus ratones de laboratorio para moverse en primer lugar. Entonces, condicionaron un comportamiento de búsqueda de recompensa que recibía una dosis de agua azucarada después de empujar la palanca del dispensador. Mientras el mouse presionaba la palanca y recibía una recompensa, Wagner y su equipo registraron la actividad de células granulares en el cerebelo de cada ratón.

Wagner solo esperaba encontrar que la actividad de las células granulares estaba relacionada con la planificación y la ejecución de movimientos físicos. ¡Pero en un Eureka! momento, Wagner observó que solo algunas células granulares se dispararon cuando el mouse presionó la palanca para obtener una recompensa. Sorprendentemente, otras células granulares dispararon cuando un ratón estaba esperando su recompensa azucarada. Y, sin embargo, otro subconjunto de células granulares se disparó cuando Wagner se quitó las anticipadas recompensas pavlovianas. Los científicos escriben en el resumen de la naturaleza de su estudio:

"El seguimiento de las mismas células granulares durante varios días de aprendizaje reveló que las células con respuestas de anticipación de recompensa surgieron de las que respondieron al inicio del aprendizaje para recompensar la entrega, mientras que las respuestas de recompensa-omisión se fortalecieron a medida que avanzaba el aprendizaje. El descubrimiento de la codificación predictiva, no sensoriomotora en células granulares es una desviación importante de la comprensión actual de estas neuronas y enriquece marcadamente la información contextual disponible para las células postsinápticas de Purkinje, con importantes implicaciones para el procesamiento cognitivo en el cerebelo ".

En una declaración a Stanford, el coautor Liquin Luo dijo, "en realidad fue una observación secundaria, que, wow, en realidad responden a la recompensa". Wagner agregó, "simplemente no sabíamos", porque históricamente la suposición era que las células granulares solo realizan las funciones motoras más básicas y nadie tenía las herramientas para observar de cerca las células granulares en acción.

En el futuro, Wagner y sus colegas en Stanford son optimistas de que este descubrimiento podría llevar a algo mucho más grande. En conclusión, Wagner dijo:

"Teniendo en cuenta que una gran fracción de neuronas reside en el cerebelo, se ha progresado relativamente poco en la integración del cerebelo en la imagen más grande de cómo el cerebro está resolviendo tareas, y una gran parte de esa desconexión ha sido esta suposición de que el cerebelo puede solo estar involucrado en tareas motoras. Espero que esto nos permita unificarlo con estudios de regiones cerebrales más populares como la corteza cerebral, y podemos unirlos ".

Estén atentos para más investigación de vanguardia sobre las células granulares y el cerebelo. Mientras tanto, si quieres leer mis publicaciones anteriores del blog de Psychology Today sobre el cerebelo, haz clic en este enlace.

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