Los campos eléctricos del cerebro

El comportamiento coordinado tiene lugar estén conectadas o no las neuronas a través de sinapsis. El cerebro, - despierto y dormido - está bañado con actividad eléctrica, y no sólo de las señales individuales de neuronas que se comunican entre sí. De hecho, el cerebro está envuelto en incontables campos eléctricos solapados, generados por los circuitos neuronales de conexión de neuronas en comunicación. Durante un tiempo se pensó que los campos eran un "epifenómeno", un 'error' de clasificación, que tiene lugar durante la comunicación neuronal", dice el neurocientífico Costas Anastassiou, estudiante de posdoctorado en biología en el Instituto Tecnológico de California (Caltech).

 El nuevo trabajo de Anastassiou y sus colegas, sin embargo, sugiere que los campos hacen mucho más y pueden, de hecho, representar una forma adicional de comunicación neuronal.
"En otras palabras", dice Anastassiou, autor principal del artículo sobre el trabajo que aparece en la revista Nature Neuroscience, "aunque las neuronas activas dan lugar a campos extracelulares, los mismos campos realimentan a las neuronas y alteran su comportamiento", incluso aunque las neuronas no están físicamente conectadas - un fenómeno conocido como acoplamiento efáptico. "Hasta el momento, la comunicación neuronal se pensaba que ocurría en máquinas localizadas, conocidas como sinapsis. Nuestro trabajo sugiere que hay un medio adicional de comunicación neuronal a través del espacio extracelular que es independiente de la sinapsis".
Los campos eléctricos extracelulares existen en todo el cerebro, aunque son particularmente fuertes y robustos en áreas cerebrales específicas como el hipocampo, que está implicado en la formación de la memoria, y el neocórtex, el área donde se mantiene la memoria a largo plazo. "Las fluctuaciones perpetuas de estos campos extracelulares son el distintivo de un cerebro vivo y con buen funcionamiento en todos los organismos, y su ausencia es un potente indicador de un coma profundo, o incluso la muerte cerebral", explica Anastassiou.
Anteriormente, los neurobiólogos suponían que los campos eran capaces de afectar - e incluso controlar - la actividad neuronal sólo durante condiciones patológicas graves tales como cuadros de epilepsia, que inducen campos magnéticos muy fuertes. Pocos estudios, no obstante, habían evaluado realmente el impacto de los campos más débiles - pero más comunes - no asociados a la epilepsia. "La razón es simple", dice Anastassiou. "Es muy difícil llevar a cabo un experimento en vivo en ausencia de campos extracelulares", para observar qué cambia cuando los campos no está cerca.
Para evaluar esos efectos, Anastassiou y sus colegas, incluyendo el neurocientífico de Caltech Christof Koch, Profesor Lois y Victor Troendle de Biología Cognitiva y del Comportamiento y profesor de computación y sistemas neuronales, se centró en campos potentes pero de poca oscilación, conocidos como potenciales de campo local (LFP), que surgen de los circuitos neuronales compuestos de unas células de cerebro de rata. Medir esos campos y sus efectos requería posicionar un cúmulo de diminutos electrodos dentro de un volumen equivalente al de una célula - y a una distancia de 50 millonésimas de metro unos de otros.
"Debido a que era tan difícil posicionar tantos electrodos dentro de un volumen tan pequeño de tejido cerebral, los hallazgos de nuestra investigación son realmente novedosos", comenta Anastassiou. Anteriormente, explica, "nadie había sido capaz de lograr este nivel de resolución espacial y temporal".
Un "inesperado y sorprendente hallazgo fue que los campos extracelulares muy débiles pueden alterar la actividad neuronal", comenta. "Por ejemplo, observamos que campos tan débiles como un milivolt por milímetro alteran robustamente el disparo de neuronas individuales, e incrementan la conocida como "coherencia de pico de campo" - la sincronía con la que se disparan las neuronas en relación al campo. "En el cerebro de los mamíferos, sabemos que los campos extracelulares pueden fácilmente exceder los dos o tres milivolts por milímetro. Nuestros hallazgos sugieren que bajo tales condiciones, este efecto se hace significativo".
¿Que significa todo esto para la computación cerebral? "Los neurocientíficos han especulado desde hace tiempo sobre esto", dice Anastassiou. "Una coherencia de pico de campo incrementada puede mejorar sustancialmente la cantidad de información transmitida entre neuronas, así como incrementar su fiabilidad. Además, se ha sabido desde hace mucho que los patrones de actividad del cerebro relacionados con la memoria y la navegación, dan lugar a un robusto LFP y una mayor coherencia de pico de campo. Creemos que el acoplamiento efáptico no tiene un gran efecto, sino que contribuye en muchos niveles durante el intenso procesado cerebral".
¿Pueden los campos eléctricos externos tener un efecto similar en el cerebro? "Esta es una pregunta interesante", dice Anastassiou. "Efectivamente, la física dicta que cualquier campo externo tendrá un impacto en la membrana neuronal. Es importante, sin embargo, señalar que el efecto de campos impuestos externos dependerá también del estado del cerebro. Se podría pensar en el cerebro como en un ordenador distribuido - no todas las áreas muestran el mismo nivel de activación todo el tiempo.
"Si un campo impuesto de forma externa tiene impacto en el cerebro es algo que también depende de qué área del cerebro sea el objetivo. Durante los episodios epilépticos, los campos patológicos pueden ser tan fuertes como 100 milivolts por milímetro - tales campos incorporan con fuerza el disparo neuronal y dan lugar a estado súper-sincronizados". Y esto, añade, sugiere que la actividad del campo eléctrico - incluso de campos externos - en ciertas áreas del cerebro, durante estados cerebrales específicos, puede tener potentes efectos cognitivos y de comportamiento.
Finalmente, a Anastassiou, Koch, y sus colegas les gustaría probar si el acoplamiento efáptico afecta a los procesos cognitivos de los humanos, y bajo qué circunstancias. "Creo firmemente que comprender el origen y funcionalidad de los campos cerebrales endógenos llevará a varias revelaciones sobre el procesado de información en el nivel de circuito, el cual, en mi opinión, es el nivel al que surgen las percepciones y conceptos", comenta Anastassiou. "Esto, a su vez, nos llevará a abordar cómo la biofísica da lugar a la cognición de una forma mecanicista - y esto, creo, es el santo grial de la neurociencia".
El trabajo del artículo, "Ephaptic coupling of cortical neurons", que se publicó el 16 de enero en la edición on-line avanzada de la revista, fue patrocinado por el Consejo de Investigación en Ciencias Físicas e Ingeniería, la Fundación Sloan-Swartz, la Fundación Nacional Suiza de Ciencia, EU Synapse, la Fundación Nacional de Ciencia, la Fundación Mathers y la Fundación Nacional de Investigación de Corea.