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El deterioro cognitivo del envejecimiento se puede revertir

Eduardo Martínez de la Fe

El deterioro cognitivo asociado con el envejecimiento no se debe a una degradación cerebral, sino a un bloqueo de las capacidades mentales que se puede revertir y así rejuvenecer la cognición. Un medicamento experimental lo consigue.

Investigadores de la Universidad de California en San Francisco han descubierto cómo revertir el deterioro cognitivo asociado con el envejecimiento. Los resultados se han publicado en la revista eLife.

El deterioro cognitivo asociado con la edad afecta a la memoria, que empieza a decaer con los años y reduce especialmente la capacidad de recordar el contexto de una experiencia.

Todavía existen dudas respecto a si esos cambios forman parte de un proceso irreversible, si están o no relacionados con lesiones cerebrales concretas, o son el resultado de disfunciones fisiológicas.

La nueva investigación arroja luz al respecto: ha descubierto, estudiando las capacidades cognitivas en ratones envejecidos,  que la pérdida memoria tan frecuente en edades avanzadas no se debe a una degradación del sistema cognitivo.

Lo que ocurre en realidad es que un bloqueo fisiológico asociado al estrés celular impide el desempeño de las funciones cognitivas naturales. Estos científicos han comprobado que ese bloqueo fisiológico es reversible y que las facultades mentales se pueden rejuvenecer.

El efecto se consigue mediante unas pocas dosis de un fármaco experimental: recupera la memoria y la flexibilidad mental relacionadas con la edad en ratones.

Inhibiendo el estrés

El fármaco, llamado ISRIB, fue descubierto en 2013 por investigadores de la misma universidad. Se trata de un Inhibidor de la Respuesta al Estrés Integrado, una condición que puede desencadenarse dentro de una célula.

Como el estrés está involucrado en la formación de la memoria, diferentes estudios han comprobado con anterioridad que ISRIB mejora el aprendizaje espacial e incluso la capacidad de formar recuerdos después de una lesión cerebral traumática.

También se ha comprobado que ISRIB revierte los deterioros cognitivos relacionados con el síndrome de Down, así como que previene la pérdida auditiva relacionada con el ruido y que mejora la cognición incluso en animales sanos.

De nuevo jóvenes

La nueva investigación aplicó este medicamento a ratones envejecidos naturalmente y comprobó que restauraba las capacidades cognitivas de su juventud, así como que rejuvenecía sus cerebros y las células del sistema inmunitario.

«Los datos sugieren que el cerebro envejecido no ha perdido permanentemente las capacidades cognitivas esenciales, como se suponía comúnmente, sino que estos recursos cognitivos todavía están ahí, pero de alguna manera han sido bloqueados, atrapados por un círculo vicioso de estrés celular», explica Peter Walter, uno de los investigadores, en un comunicado.

Y añade: «nuestro trabajo con ISRIB demuestra una manera de romper ese ciclo y de restaurar las habilidades cognitivas que se habían aislado con el tiempo».

Representación del microscopio crioelectrónico de una molécula ISRIB. Crédito: Laboratorio Frost.

Buscando la salida

Los investigadores entrenaron ratones envejecidos para escapar de un laberinto acuático al encontrar un pasadizo oculto, una tarea que normalmente es difícil de aprender para los animales mayores.

Los ratones que recibieron pequeñas dosis diarias de ISRIB durante el proceso de entrenamiento de tres días, pudieron realizar la tarea tan bien como los ratones jóvenes, y mucho mejor que los animales de la misma edad que no recibieron el fármaco.

Varias semanas después del tratamiento con ISRIB, entrenaron a los mismos ratones para encontrar la salida de un laberinto cuyo pasadizo cambiaba a diario, una prueba de flexibilidad mental para ratones viejos que, como los humanos, tienden a quedarse cada vez más atascados en sus laberintos.

Los ratones que habían recibido un breve tratamiento con ISRIB se comportaban con capacidades cognitivas juveniles hasta tres semanas después de recibir la medicación, mientras que los ratones envejecidos que no recibieron ISRIB seguían buscando la salida.

Cerebro rejuvenecido

Los investigadores pudieron comprobar que estos cambios cognitivos se debían al impacto del medicamento en el cerebro.

Observaron qué pasaba en el cerebro de los animales un día después de recibir el medicamento y descubrieron que las huellas del envejecimiento en las neuronas del hipocampo, que son fundamentales para el aprendizaje y la memoria, desaparecían de un día para otro.

La actividad eléctrica de estas neuronas se intesificó y fue más receptiva a la estimulación, al mismo tiempo que su conectividad se fortaleció con respecto a otras neuronas de su entorno cerebral.

También comprobaron los investigadores que las neuronas del hipocampo formaban conexiones estables y duraderas entre ellas, una característica que es más propia de los cerebros juveniles.

El descubrimiento abre nuevas perspectivas para mejorar la cognición en seres humanos y podría tener aplicaciones para el tratamiento de enfermedades cognitivas, como el Alzheimer, aunque también la diabetes, asociada a un sistema inmunológico envejecido prematuramente.

Referencia

Small molecule cognitive enhancer reverses age-related memory decline in mice. Karen Krukowski et al. eLife 2020;9:e62048. DOI:10.7554/eLife.62048

Fuente: https://tendencias21.levante-emv.com/el-deterioro-cognitivo-del-envejecimiento-se-puede-revertir.html

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Algunas sequías terrestres comienzan en alta mar

Los océanos padecen sequías por falta de lluvia que luego emigran hacia tierra, donde provocan efectos más devastadores que las sequías terrestres. Un fenómeno global que afecta a todos los continentes.

Científicos de la Universidad de Stanford han identificado un nuevo tipo de «sequía que toca tierra»: se origina sobre el océano antes de viajar a la tierra y puede causar condiciones más grandes y secas que las sequías que ocurren únicamente sobre la tierra.

El nuevo tipo de «sequía marina» se puede predecir antes de que afecte a las personas y los ecosistemas terrestres, según los investigadores.

Descubrieron que estas sequías, que se forman sobre el océano y luego migran hacia la tierra, pueden causar condiciones peores que las sequías que ocurren únicamente en la tierra.

De todas las sequías que afectaron áreas terrestres en todo el mundo, desde 1981 hasta 2018, aproximadamente una de cada seis fueron sequías que tocaron tierra procedentes del mar, según esta investigación, cuyos resultados se publican la revista en Water Resources Research.

“Normalmente no pensamos en las sequías en el océano, incluso puede parecer contradictorio. Pero, al igual que en tierra, puede haber momentos en los que grandes regiones del océano experimentan menos lluvia de lo normal”, explica el autor principal, Julio Herrera-Estrada, en un comunicado.

«Descubrir que algunas sequías comienzan en alta mar, con suerte, motivará conversaciones sobre los beneficios de monitorear y pronosticar sequías más allá de los continentes», añade.

Difíciles de predecir

Para identificar las sequías a gran escala que se originaron en el océano, los investigadores utilizaron un algoritmo de seguimiento de objetos para identificar y seguir grupos de déficits de humedad en todo el mundo, que se remontan a décadas en el tiempo.

Descubrieron que las sequías originadas en el mar que luego tocaban tierra, crecían aproximadamente tres veces más rápido que las sequías solo terrestres y, por lo general, tardaban varios meses en llegar a un continente.

“No todas las sequías que causan daños a los seres humanos y los ecosistemas van a ser estas sequías que llegan a tierra”, señala el segundo autor del estudio Noah Diffenbaugh.

Y añade: “hay algo en las sequías que comienzan sobre el océano que las hace más propensas a convertirse en eventos grandes e intensos».

Patrones atmosféricos

Los investigadores analizaron los procesos físicos de las sequías que llegan a tierra en el oeste de América del Norte, donde ocurren con una alta frecuencia.

Descubrieron que las sequías que tocan tierra en la región se han asociado con ciertos patrones de presión atmosférica que reducen la humedad en el mar, similar al patrón de “Cresta ridículamente resistente”, en anticiclón persistente que fue una de las principales causas de la sequía de California de 2012-2017, que acabó con la vida de más de 100 millones de árboles.

Los autores afirman que análisis similares pueden confirmar explicaciones similares para las sequías que llegaron a tierra en otras áreas del mundo, incluidos Chile, Argentina, Nueva Zelanda y el este de Australia.

“Nuestro documento muestra que las sequías que llegan a tierra son un fenómeno global que afecta a todos los continentes”, dijo Herrera-Estrada.

Investigar más

Debido a los grandes impactos humanitarios y económicos de las sequías severas, el potencial para pronosticar sequías que toquen tierra puede justificar una mayor investigación, según los investigadores.

“Este es un hallazgo importante porque es probable que estas sequías que toquen tierra sean estadísticamente más grandes y más severas en relación con las sequías que no tocan tierra”, dijo Diffenbaugh.

«Debido a que por lo general tardan varios meses en migrar a la tierra, existe la posibilidad de que el seguimiento de los déficits de humedad sobre el océano pueda proporcionar una advertencia anticipada para ayudar a proteger contra al menos algunas de las sequías más severas».

Referencia

Landfalling Droughts: Global Tracking of Moisture Deficits From the Oceans Onto Land. Julio E. Herrera‐Estrada,  Noah S. Diffenbaugh. Water Resources Research, Volume 56, Issue 9. DOI:https://doi.org/10.1029/2019WR026877

Fuente: https://tendencias21.levante-emv.com/algunas-sequias-terrestres-comienzan-en-alta-mar.html

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Todo el universo podría ser una red neuronal

Todo el universo sería una enorme red neuronal que concilia la relatividad general, la mecánica cuántica y los observadores: es el eslabón perdido del conocimiento humano.

Todo el universo en su nivel más fundamental sería una red neuronal, según explica el físico y cosmólogo Vitaly Vanchurin, de la Universidad de Minnesota en Duluth, en una prepublicación presentada en arXiv.

Vanchurin cree que la hipótesis de que todo el universo es una enorme red neuronal podría constituir el eslabón perdido del conocimiento humano, que permitiría reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad general.

En su artículo, Vanchurin considera que las redes neuronales artificiales se comportan en la práctica como si la mecánica cuántica y la relatividad general ya se hubieran reconciliado.

La principal diferencia entre ambas teorías universales es el así llamado “problema del tiempo”: si para la mecánica cuántica el tiempo es universal y absoluto, para la relatividad general el tiempo es relativo, ya que no siempre discurre de la misma forma.

Hay otra diferencia notable entre ambas teorías universales, la conocida como el problema de la gravedad cuántica: los efectos gravitatorios del universo se confunden con los del mundo cuántico cuando las distancias entre objetos son mayúsculas y las energías extremas. Sin embargo, el problema es que no tenemos una teoría que explique este aparente imposible.

El tercer factor que enfrenta a ambas teorías universales son los llamados observadores: todavía no sabemos realmente qué papel desempeñamos en el conocimiento de la materia, ni en qué medida el mundo depende de nuestra observación. Hay todavía un apasionado debate sobre este tema y sobre la validez de la objetividad científica.

Salto cuántico

Vanchurin da un salto de audacia para proponer, no la pretendida teoría del todo unificado, que explicaría todos los fenómenos físicos conocidos, mayúsculos y minúsculos, sino más bien abrir un posible trayecto que conduzca a ella.

Para conseguirlo propone añadir a la ecuación cósmica un tercer factor, además de la relatividad general y a la mecánica cuántica: el observador, ese oscuro objeto del deseo que ha llevado a convertir el conocimiento humano en un consenso, más que en una descripción objetiva e inapelable de lo real.

Aun asumiendo que la mayoría de los físicos considera la mecánica cuántica como el pilar de todo lo que conocemos, Vanchurin propone que la realidad es más sutil: todo emana de una red neuronal microscópica, tanto la mecánica cuántica, como la relatividad general y los observadores.

«La red neuronal es todo lo que existe. Es un sistema dinámico que experimenta una evolución de aprendizaje y, como resultado, experimentamos muchos fenómenos emergentes interesantes como el espacio-tiempo, las partículas y, quizás lo más importante, los observadores», declara a Turingchurch.

Por lo tanto, si queremos reconciliar los tres aspectos conocidos de la realidad, habría que considerar que el sustrato del universo es una red neuronal, presumiblemente cuántica: integraría las leyes de la relatividad general, los principios del mundo cuántico y el papel de los observadores en este nuevo marco teórico.

También resolvería el dilema de los supuestos multiversos de Everett y de las variables ocultas que, supuestamente, tendrían los secretos del mundo cuántico.

Según Vanchurin, las variables ocultas serían los estados de las neuronas individuales y las neuronas aprendices representarían a lo que llama variables cuánticas.

Aprendizaje profundo

Para comprender cómo ha sido concebida esta propuesta teórica, que ha suscitado escepticismo entre otros físicos, Vanchurin cuenta que es la deducción lógica del estudio de las redes neuronales artificiales a las que ha dedicado mucho tiempo.

Las redes neuronales artificiales están formadas por una serie de circuitos electrónicos que se comportan como las neuronas biológicas.

Son una rama de la Inteligencia Artificial que imitan al cerebro humano a través del llamado aprendizaje profundo, una forma de automatizar el análisis predictivo: la capacidad que tiene el cerebro biológico de analizar un amplio espectro de datos para anticipar posibles acontecimientos.

Analizando esta tecnología, Vanchurin apreció que la dinámica de aprendizaje de las redes neuronales artificiales era muy similar a la dinámica que se observa en los sistemas cuánticos.

Las dos teorías universales y los observadores conviven en los procesos de aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Esta constatación le llevó a suponer que, en los niveles más básicos del universo, todo se reduce a lo mismo: a una red neuronal que todo lo engloba.

Vanchurin reconoce que la idea es una locura, pero al mismo tiempo señala, en declaraciones a Futurism, que será relativamente fácil rebatirla: sólo es preciso encontrar un fenómeno físico que no pueda modelarse como una red neuronal.

Eso no significa que vivamos en Matrix, concluye Vanchurin, sino que vivimos y formamos parte de una red neuronal universal, aunque no podemos notar la diferencia.

Referencia

The world as a neural network. Vitaly Vanchurin.  arXiv:2008.01540 [physics.gen-ph]

Fuente: https://tendencias21.levante-emv.com/todo-el-universo-podria-ser-una-red-neuronal.html

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El sexo biológico es dinámico y flexible

Algunos aspectos del sistema nervioso masculino adoptan transitoriamente un estado femenino y permiten que el comportamiento masculino sea flexible, ha descubierto una investigación con gusanos.

El sexo biológico se entiende típicamente en términos binarios: masculino y femenino. Sin embargo, hay muchos ejemplos de animales que pueden modificar las características biológicas y de comportamiento típicas del sexo e incluso cambiar de sexo.

Un nuevo estudio, que aparece en la revista Current Biology, identifica un interruptor genético en las células cerebrales que puede alternar entre estados específicos del sexo cuando sea necesario. Este descubrimiento cuestiona la idea del sexo como una propiedad fija.

La investigación, dirigida por Douglas Portman, profesor asociado del Departamento de Genética Biomédica de la Universidad de Rochester y del Instituto del Monte en Neurociencia, se llevó a cabo en C. elegans, una lombriz intestinal microscópica que se ha utilizado en los laboratorios durante décadas para comprender el sistema nervioso.

Muchos de los descubrimientos realizados con C. elegans se aplican en todo el reino animal y esta investigación ha llevado a una comprensión más amplia de la biología humana.

C. elegans es el único animal cuyo sistema nervioso ha sido cartografiado por completo, proporcionando un diagrama de cableado, o conectoma, que ayuda a los investigadores a comprender cómo los circuitos cerebrales integran información, toman decisiones y controlan el comportamiento.

Dos sexos, pero…

Hay dos sexos de C. elegans: machos y hermafroditas. Aunque los hermafroditas pueden autofertilizarse, también son compañeros de apareamiento para los machos y se consideran hembras modificadas.

Un solo gen, TRA-1, determina el sexo de estos gusanos redondos. Si un gusano en desarrollo tiene dos cromosomas X, este gen se activa y el gusano se convertirá en una hembra. Si solo hay un cromosoma X, TRA-1 se inactiva, lo que hace que el gusano se convierta en macho.

Genética variable

El nuevo estudio muestra que el gen TRA-1 no se vuelve completamente silencioso en los machos, como se pensaba anteriormente. En cambio, puede entrar en acción cuando las circunstancias obligan a los machos a actuar más como mujeres.

Por lo general, los machos de C. elegans prefieren buscar pareja antes que comer, en parte porque no pueden oler la comida tan bien como a las hembras. Pero si un macho pasa demasiado tiempo sin comer, aumentará su capacidad para detectar alimentos y actuará más como una hembra.

La nueva investigación muestra que TRA-1 es necesario para este cambio: sin el concurso de este gen, los machos hambrientos no pueden mejorar su sentido del olfato y permanecen encerrados en el modo predeterminado de búsqueda de pareja insensible a los alimentos.

TRA-1 hace el mismo trabajo en machos juveniles: activa la detección eficiente de alimentos en machos que son demasiado jóvenes para buscar pareja.

Sexo flexible

«Estos hallazgos indican que, a nivel molecular, el sexo no es binario o estático, sino dinámico y flexible», explica Portman en un comunicado.

Y añade: «los nuevos resultados sugieren que algunos aspectos del sistema nervioso masculino podrían adoptar transitoriamente un ‘estado’ femenino, permitiendo que el comportamiento masculino sea flexible de acuerdo con las condiciones internas y externas».

Los investigadores explican asimismo que, aunque la existencia de dos sexos es una característica fundamental de casi todas las especies animales, la forma en que el sexo biológico provoca diferencias sexuales en el cerebro y el comportamiento es poco conocida.

Género y salud

Añaden que la susceptibilidad a una serie de trastornos de salud mental y neurológica humana está también fuertemente influenciada por el género, aunque en la mayoría de los casos las bases biológicas de estas diferencias siguen siendo opacas.

Las investigaciones sobre estos temas desarrolladas por este equipo han utilizado un modelo simple y manejable experimentalmente, el pequeño nematodo del suelo C. elegans, para arrojar luz sobre los fundamentos genéticos de las diferencias sexuales en el desarrollo neuronal, el comportamiento y la susceptibilidad a enfermedades.

Sus hallazgos arrojan luz sobre los fundamentos genéticos de las diferencias sexuales en el desarrollo neuronal y el comportamiento, e incluso sobre la susceptibilidad a determinadas enfermedades, ya que existe un sesgo sexual en la cantidad de enfermedades neurológicas que se manifiestan, señalan los investigadores.

Referencia

Dynamic, Non-binary Specification of Sexual State in the C. elegans Nervous System. Hannah N. Lawson et al. Current Biology, July 23, 2020. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.07.007

Fuente: https://tendencias21.levante-emv.com/el-sexo-biologico-es-dinamico-y-flexible.html

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La tabla periódica pasa a ser nuclear

Científicos japoneses cambian 150 años de ciencia

Físicos japoneses han convertido en nuclear la tabla periódica de los elementos: cambian los números atómicos por los números mágicos y reorganizan los componentes básicos del universo con una nueva mirada.

Científicos japoneses han actualizado el trabajo de Dmitri Mendeléyev, el químico ruso conocido por haber descubierto el patrón subyacente en lo que ahora se conoce como la tabla periódica de los elementos, publicada por primera vez en 1869.

Han creado una nueva versión de la tabla periódica de los elementos apoyándose en los «números mágicos» que caracterizan la estabilidad de un núcleo atómico. La particularidad de esta variante es que es una tabla periódica nuclear.

La tabla periódica de Mendeléyev se basa en el principio de la disposición de los electrones en un átomo, lo que es conveniente para los químicos. Sin embargo, para los físicos nucleares es más importante conocer la ubicación de los protones y los neutrones en el núcleo atómico.

Esta consideración explica el cambio propuesto: La nueva tabla periódica se basa en los protones del núcleo, y no en el comportamiento de los electrones en un átomo.

Números mágicos

Es decir, mientras que la tabla periódica clásica representa a todos los elementos organizados según el orden creciente de sus números atómicos, la nueva tabla los organiza según los números mágicos.

En física nuclear, los números mágicos representan la cantidad de protones y neutrones que se necesitan para formar un núcleo atómico estable. Los números atómicos representan el total de protones que tiene cada átomo de un elemento.

El estudio japonés, publicado en la revista Foundations of Chemistry, utiliza números mágicos en protones para clasificar los elementos de la nueva tabla periódica: la han llamado Nucletouch y la han modelado en 3D.

«La tabla periódica de los elementos es uno de los logros más importantes de la ciencia, y en su forma familiar se basa en la estructura de la cubierta de los orbitales de los electrones en los átomos», explica Yoshiteru Maeno, uno de los desarrolladores de la nueva tabla, en un comunicado.

«Pero los átomos están compuestos por dos tipos de partículas cargadas que designan a cada elemento: electrones que orbitan el núcleo y protones en el núcleo mismo», añade. Esta es la perspectiva que han asumido para la nueva tabla periódica.


Los protones tienen diferentes números mágicos estables: 2, 8, 20, 28, etc. Cuando las órbitas nucleares se llenan de protones, forman núcleos estables, análogos a los elementos de gases nobles. Crédito: Universidad de Kyoto / Yoshiteru Maeno / Kouichi Hagino.

Los protones tienen diferentes números mágicos estables: 2, 8, 20, 28, etc. Cuando las órbitas nucleares se llenan de protones, forman núcleos estables, análogos a los elementos de gases nobles. Crédito: Universidad de Kyoto / Yoshiteru Maeno / Kouichi Hagino.
Artículos relacionados
150 años desde Mendeléyev

Han pasado más de 150 años desde que Dmitri Mendeléyev descubrió la ley periódica que lo llevó a proponer la tabla clásica. La ordenación de los elementos químicos en la tabla periódica permite observar una regularidad en las propiedades de los elementos.

La nueva tabla periódica proporciona una nueva perspectiva sobre los componentes básicos del universo al basarse en los números mágicos estables que tienen los protones de elementos como el helio, el oxígeno y el calcio.

El equipo elaboró esta tabla periódica para destacar formas alternativas de ilustrar las leyes de la naturaleza, y espera que tanto los entusiastas como los académicos encuentren algo para disfrutar y aprender de esta nueva mirada.


Referencia

A nuclear periodic table. K. Hagino & Y. Maeno. Foundations of Chemistry (2020).DOI:https://doi.org/10.1007/s10698-020-09365-5:

Fuente: https://www.tendencias21.net/La-tabla-periodica-pasa-a-ser-nuclear_a45911.html
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El aprendizaje provoca cambios profundos en el cerebro

Por: Tendencias 21

Las neuronas se movilizan para procesar la experiencia con mayor rapidez e intensidad

El aprendizaje provoca profundos cambios en el cerebro que ayudan a procesar la experiencia y a concentrar nuestra atención en lo más relevante. Cuando aprendemos, los patrones neuronales son muy específicos y se vuelven más fuertes.

Investigadores del Laboratorio Cold Spring Harbor (CSHL) en NY han descubierto por primera vez cómo el cerebro procesa el aprendizaje de las habilidades de la vida.

Lo han observado mediante un experimento controlado con ratones, pero los investigadores creen que es válido también para comprender los mecanismos de decisión de los seres humanos.

Los investigadores se refieren a lo que pasa en el cerebro cuando nos vemos en un entorno desconocido y debemos descubrir sus posibilidades y rutas por las que movernos. Es un momento de desconcierto total.

Lo que ocurre cuando el cerebro empieza a aprender una habilidad básica es una reacción neuronal específica, que es la que conforma el aprendizaje.

Cuando empezamos a percibir ese entorno y a relacionar datos, el flujo neuronal aumenta: el cerebro acude en ayuda de nuestra cognición espacial.

En primer lugar aumenta el flujo de neuronas implicadas en el aprendizaje y su respuesta a los estímulos es cada vez más rápida.

Más selectivas

Otra característica de este proceso es que cada vez más, las neuronas se vuelven más selectivas: se centran en aspectos concretos para reforzar nuestra atención y potenciar el aprendizaje.

Esta reacción establece una diferencia esencial entre el cerebro que aprende y el del que todavía no ha aprendido: el cerebro del novato está lleno de patrones no selectivos de respuesta neuronal.

Por el contrario, en el cerebro que ha aprendido, los patrones de respuesta neuronales son muy específicos. Y cuando nos hacemos un experto en algo, el patrón neuronal de conocimiento se vuelve incluso más fuerte.

Este proceso culmina cuando aprendemos a desenvolvernos completamente en ese entorno nuevo. Cuando eso ocurre, incluso es posible anticipar la decisión que va a tomar el cerebro al llegar, por ejemplo, a un cruce de caminos. La reacción cerebral es la misma ante una misma circunstancia en virtud del aprendizaje adquirido.

Cambios en el cerebro

La conclusión principal del estudio es que el aprendizaje provoca profundos cambios en el cerebro, orientados precisamente a facilitar y potenciar el aprendizaje.

Esta constatación permite pensar en posibles formas de ayudar a los seres humanos a aprender más rápidamente una habilidad.

En el experimento con ratones, quedó claro que los estímulos visuales y auditivos potencian el aprendizaje.

Los investigadores consideran entonces posible proporcionar esos estímulos a la experiencia humana, para conseguir que las personas aprendan más rápidamente una habilidad básica.

Lo que debemos tener claro al respecto es que el cerebro es un poderoso aliado cuando debemos resolver situaciones desconocidas: los cambios que experimenta pueden ayudarnos a perfeccionar la experiencia y a acelerar el procesamiento de la información.

Metodología

Este experimento se desarrolló con ratones situados en un entorno estimulante en el que debían acometer nuevas tareas en función de decisiones.

Cuando tomaban la decisión correcta, recibían una recompensa que les confirmaba que esa era la mejor decisión. Así podían aprender cuáles eran las mejores opciones.

Durante meses, los ratones se desenvolvieron en ese entorno. Los investigadores usaron un microscopio de imágenes de dos fotones y una gran cantidad de herramientas genéticas, para observar lo que pasaba en el cerebro de los roedores durante el experimento.

Los investigadores decodificaron la actividad neuronal entrenando una pequeña red artificial llamada Máquina de soporte vectorial, que consiste en un conjunto de algoritmos de aprendizaje automático.

La red recopila datos de rendimiento de múltiples ensayos y los combina con la actividad de todas las neuronas, sopesándolas para adivinar qué va a hacer el animal.

«Registramos la actividad de cientos de neuronas, todas al mismo tiempo, y estudiamos lo que las neuronas hicieron al aprender», explica la autora principal, Anne Churchland, en un comunicado.

«Hasta ahora nadie sabía realmente cómo los animales o los humanos aprenden la estructura de una tarea y cómo la actividad neuronal lo respalda», añade.

“Descubrimos que en todos los animales, su aprendizaje ocurre gradualmente durante aproximadamente cuatro semanas. Y descubrimos que lo que apoya el aprendizaje son los cambios de actividad en un montón de neuronas», concluye.

Referencia

Excitatory and Inhibitory Subnetworks Are Equally Selective during Decision-Making and Emerge Simultaneously during Learning. Farzaneh Najafi et al. Neuron,  November 18, 2019.DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.09.045
Fuente: https://www.tendencias21.net/El-aprendizaje-provoca-cambios-profundos-en-el-cerebro_a45572.html

 

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La criticidad cerebral potencia la cognición

Por: Tendencias 21

El frenesí sináptico maximiza el procesamiento de información

 

El cerebro provoca un estado crítico en la actividad neuronal para maximizar el procesamiento de información. No solo sabe cómo encontrar el orden dentro del caos, sino también vivir en un frenesí sináptico permanente sin caer en una deriva patológica.

Una investigación desarrollada en la Universidad de Washington en San Luis ha confirmado una vieja sospecha científica: que el cerebro desenvuelve su actividad en una delgada línea que se sitúa entre la quietud y el caos.

Y procede así porque de esa manera maximiza el procesamiento de información: se comporta como una máquina biológica, constituida por miles de millones de neuronas independientes que se unen frenéticamente para adquirir una capacidad computacional insólita en la naturaleza.

Esa delgada línea representa un estado cerebral en el que la excitación de las neuronas alcanza niveles máximos, sin por ello caer en el desorden y pasar a una especie de transición de fase que le llevaría a un estado inferior de actividad neuronal y de capacidad computacional.

El cerebro se mantiene por sí mismo en esa frontera peligrosa sin perder por ello el control de la situación. Una proeza de la naturaleza soporta los procesos cognitivos. Cuando el cerebro pierde este equilibrio, cae en una deriva patológica: la tranquilidad neuronal es síntoma de enfermedad, el caos y la agitación son fuente de inteligencia.

«Cuando las neuronas se combinan, buscan activamente un régimen crítico», explica Keith Hengen, autor principal, en un comunicado. «Nuestro estudio demuestra que la criticidad es un sello distintivo de las redes que funcionan normalmente».

Criticidad y cerebro

La criticidad (o permanencia en un estado crítico) es el único régimen computacional conocido que, en informática, optimiza el procesamiento de la información, como la memoria y la capacidad de codificar y transmitir patrones complejos.

En el caso del cerebro se llama criticidad autoorganizada, porque las avalanchas de actividad neuronal aparentemente caóticas, son las que le permiten vivir y permanecer en ese estado crítico y, en consecuencia, realizar los cálculos rápidos que necesitan los procesos cognitivos.

La nueva investigación ha comprobado la criticidad cerebral usando datos de grabaciones neuronales de ratones que vivían en régimen de comportamiento libre.

Las grabaciones abarcan meses de actividad de cientos de neuronas y permitieron a los investigadores modelar la actividad de redes neuronales enteras.

De esta forma confirmaron por primera vez que la dinámica de la red neuronal en la corteza visual se ajusta firmemente a la criticidad, incluso a través de los ciclos de luz y oscuridad.

Es decir, que si las neuronas implicadas en los procesos de la visión no se excitan hasta el paroxismo, el cerebro no puede conocer ni  interpretar la complejidad del mundo exterior.

Los científicos lo comprobaron porque, durante el experimento, bloquearon intencionadamente la visión en uno de los ojos de los ratones. Y observaron que en ese momento la criticidad fue severamente interrumpida por las neuronas implicadas.

Las neuronas encargadas de procesar la visión de ese ojo bloqueado abandonaron su frenesí, pero no por ello dejaron de seguir emitiendo sus impulsos clásicos, aunque sin obtener el mismo resultado que en el momento de excitación o criticidad.

«Parece que tan pronto como hay un desajuste entre lo que el animal espera y lo que está pasando por ese ojo, la dinámica computacional se desmorona», explica Hengen.

Neuronas inhibidoras

«Esto es consistente con la física teórica, según la cual el régimen crítico es independiente de la tasa de disparo», añade.  «No se trata solo del número total de picos en la red, porque la tasa de disparo no ha cambiado en absoluto durante de la privación de la visión, y sin embargo, el régimen se desmorona».

Es decir, la criticidad no depende de cuántos impulsos generan las neuronas, sino del frenesí sináptico en el que entran para formar los procesos cognitivos: podemos taparnos un ojo y se interrumpe el frenesí, pero no la generación de pulsos nerviosos por las neuronas implicadas.

Los investigadores creen que la criticidad en el cerebro probablemente esté conectada a las neuronas inhibidoras que imponen y organizan la dinámica computacional.

Esas neuronas son las que permiten al cerebro conservar la energía porque seleccionan los estímulos visuales, descartando los irrelevantes y procesando únicamente la información clave para interpretar un entorno. Esta capacidad se potencia en la criticidad.

Implicaciones importantes

El descubrimiento podría tener implicaciones importantes para el aprendizaje motor y la enfermedad neurodegenerativa, señalan los investigadores.

La autoorganización del cerebro en torno a la criticidad es un proceso activo, señala Hengen, y la regulación homeostática alterada (desequilibrios internos en las redes neuronales) está cada vez más implicada en patologías humanas graves como el Alzheimer, la epilepsia, el síndrome de Rett (trastorno en el desarrollo neurológico infantil), el autismo y la esquizofrenia.

«Una interpretación de este trabajo es que la criticidad es la que permite mantener el equilibrio interno (homeostasis) en las redes neuronales», concluye Hengen. Una nueva pista para tratar enfermedades neurodegenerativas.

Tal como informamos en otro artículo, recientemente se descubrió cómo se las arregla el cerebro para encontrar el orden dentro del caos que reina en las sinapsis.

Ahora sabemos que ese caos es el recurso que usa el cerebro para procesar la información sensorial de forma excelente. También que el frenesí neuronal le permite mantenerse en equilibrio entre el caos y la quietud,  sin bascular hacia una transición de fase que le supondría entrar en una deriva patológica.

Referencia

Cortical Circuit Dynamics Are Homeostatically Tuned to Criticality In Vivo. Zhengyu Ma et al. Neuron, October 07, 2019. DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.08.031

Fuente: https://www.tendencias21.net/La-criticidad-cerebral-potencia-la-cognicion_a45486.html
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