25 enero 2011

Fuera de la mente en cuestión de segundos: las redes neuronales corticales eliminan la información sensorial a una velocidad sorprendente.

ScienceDaily (25 de enero de 2011) - La dinámica detrás de la transmisión de señales en el cerebro son extremadamente caótico. Esta conclusión se ha alcanzado por científicos del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización de la Universidad de Göttingen y el Centro Bernstein para la Neurociencia Computacional Göttingen. Además, los investigadores con sede en Göttingen calculado, por primera vez, la rapidez con la información almacenada en los patrones de actividad de las neuronas de la corteza cerebral se descarta. En un poco por neurona activa por segundo, la velocidad a la que se olvida que esta información es sorprendentemente alto.

La investigación se publica en Physical Review Letters .

Los códigos de información del cerebro en forma de pulsos eléctricos, conocidos como puntas. Cada uno de los cerebros de aproximadamente 100 mil millones neuronas interconectadas actúa como un receptor y transmisor: agrupar todos estos pulsos eléctricos de entrada y, en determinadas circunstancias, un impulso hacia delante de los suyos para sus vecinos. De esta forma, cada pieza de información procesada por el cerebro genera su patrón de actividad propia. Esto indica que las neuronas envían un impulso a sus vecinos: en otras palabras, que la neurona se activa, y cuándo. Por lo tanto, el patrón de actividad es un tipo de protocolo de comunicaciones que registra el intercambio de información entre las neuronas.
¿Qué tan confiable es un patrón? ¿Los cambios, incluso de menor importancia en la comunicación neuronal producir un patrón completamente diferente de la misma manera que una modificación a una contribución única en una conversación podría alterar el mensaje completo? Este comportamiento se define por los científicos como caótica. En este caso, los procesos dinámicos en el cerebro no puede ser predicho por mucho tiempo. Además, la información almacenada en el patrón de actividad se fue perdiendo como consecuencia de pequeños errores. A diferencia de esto, estable llamada, que no es caótica, dinámica sería mucho menos propenso a errores. El comportamiento de las neuronas individuales tendría poca o ninguna influencia en el panorama general.

Los nuevos resultados obtenidos por los científicos de Gotinga han puesto de manifiesto que los procesos en la corteza cerebral, el centro del cerebro de conmutación principal, son extremadamente caótico. El hecho de que los investigadores utilizaron un modelo realista de las neuronas en sus cálculos, por primera vez fue crucial. Cuando un pico entre una neurona, una forma adicional de potencial eléctrico en su membrana celular. La neurona se activa sólo cuando este potencial excede un valor crítico. "Este proceso es muy importante", dice Fred Wolf, jefe del grupo de investigación teórica Neurofisica en el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización. "Esta es la única manera de que la incertidumbre en cuanto a cuando una neurona se activa puede ser tomado en cuenta con precisión en los cálculos".

Los modelos más antiguos describen las neuronas de una forma muy simplificada y no tomó en cuenta exactamente cómo y bajo qué condiciones se presenta un pico. "Esto dio lugar a una dinámica estable en algunos casos, pero la dinámica no-estable en los demás", explica Michael Monteforte del Instituto Max Planck de Dinámica y auto-organización, que también es estudiante de doctorado en la Escuela de Graduados de Neurociencias de Göttingen y Biociencias Moleculares (GGNB). Fue por lo tanto imposibles de resolver el desacuerdo de larga data en cuanto a si los procesos en la corteza cerebral son caóticos o no, con estos modelos.

Gracias a su enfoque más diferenciado, los investigadores con sede en Göttingen fueron capaces de calcular, por primera vez, con qué rapidez se pierde un patrón de actividad a través de pequeños cambios, es decir, cómo se olvida. Aproximadamente un bit de información desaparece por neurona activa por segundo. "Este tipo de supresión extraordinariamente alto fue una gran sorpresa para nosotros", dice Wolf. Parece que la información se pierde en el cerebro tan rápido como puede ser "entregado" a partir de los sentidos.

Esto tiene consecuencias fundamentales para nuestra comprensión del código neuronal de la corteza cerebral. Debido a la alta tasa de eliminación, la información sobre señales de entrada sensorial sólo se puede mantener por unas cuantas puntas. Estos nuevos hallazgos indican que tanto la dinámica de la corteza cerebral están diseñados específicamente para el procesamiento de instantáneas breves del mundo exterior.

Story Source:
The above story is reprinted (with editorial adaptations by ScienceDaily staff) from materials provided by Max-Planck-Gesellschaft, via AlphaGalileo.

Journal Reference:
  1. Michael Monteforte, Fred Wolf. Dynamical Entropy Production in Spiking Neuron Networks in the Balanced State. Physical Review Letters, 2010; 105 (26) DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.268104

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