Cuando estamos en un sueño profundo, nuestra actividad cerebral fluye y refluye en grandes y evidentes oleadas, como si viéramos una marea de cuerpos humanos levantarse y sentarse alrededor de un estadio deportivo. Es difícil no darse cuenta. Ahora, los investigadores de Stanford han descubierto que esos mismos ciclos existen tanto en la vigilia como en el sueño, pero solo en pequeñas secciones que se sientan y se levantan al unísono, en lugar de en todo el estadio. Es como si pequeñas porciones del cerebro se durmieran y despertaran de forma independiente todo el tiempo.
Es más, parece que cuando las neuronas pasan a un estado más activo, o “encendido”, responden mejor al mundo exterior. Las neuronas también pasan más tiempo en estado activo cuando prestan atención a una tarea. Este hallazgo sugiere que los procesos que regulan la actividad cerebral durante el sueño también podrían influir en la atención.
“La atención selectiva es similar a hacer que pequeñas partes de tu cerebro estén un poco más despiertas”, dijo Tatiana Engel, becaria posdoctoral y coautora principal de la investigación, cuya publicación está prevista para el 1 de diciembre en la revista Science. El otro coautor principal fue el exestudiante de posgrado Nicholas Steinmetz, quien llevó a cabo los experimentos de neurofisiología en el laboratorio de Tirin Moore, profesor de neurobiología y uno de los autores principales.
Andar en bicicleta de forma intermitente
Para comprender estos ciclos de actividad cerebral recién descubiertos, es necesario saber un poco sobre cómo está organizado el cerebro. Si se pinchara directamente el cerebro con un alfiler, todas las células cerebrales afectadas responderían al mismo tipo de estímulos. En una columna, todas podrían responder a objetos situados en una parte concreta del campo visual, por ejemplo, la parte superior derecha.
El equipo utilizó lo que equivalen a conjuntos de pines muy sensibles que pueden registrar la actividad de una columna de neuronas en el cerebro. En el pasado, se sabía que las neuronas individuales pasan por fases de mayor o menor actividad, pero con esta sonda se observó por primera vez que todas las neuronas de una columna determinada alternaban entre dispararse muy rápidamente y hacerlo a un ritmo mucho más lento, de forma similar a los ciclos coordinados del sueño.
“Durante un estado activo, todas las neuronas comienzan a dispararse rápidamente”, explicó Kwabena Boahen, profesor de bioingeniería e ingeniería eléctrica en Stanford y autor principal del artículo. “Luego, de repente, pasan a una frecuencia de disparo baja. Este cambio constante entre activo e inactivo ocurre todo el tiempo, como si las neuronas lanzaran una moneda al aire para decidir si van a estar activas o inactivas”.”
Esos ciclos, que ocurren en cuestión de segundos o fracciones de segundo, no eran tan visibles cuando estaba despierto porque la onda no se propaga mucho más allá de esa columna, a diferencia de lo que ocurre durante el sueño, cuando la onda se extiende por casi todo el cerebro y es fácil de detectar.
Presta atención.
El equipo descubrió que los estados de actividad más alta y más baja están relacionados con la capacidad de responder al mundo. El grupo colocó su sonda en una región del cerebro de los monos que detecta específicamente una parte del mundo visual. Se había entrenado a los monos para que prestaran atención a una señal que indicaba que algo en una parte concreta del campo visual —por ejemplo, la parte superior derecha o la inferior izquierda— estaba a punto de cambiar ligeramente. A continuación, los monos recibían una recompensa si identificaban correctamente que habían visto ese cambio.
Cuando el equipo daba una señal de dónde podría producirse un cambio, las neuronas de la columna que detecta esa parte del mundo comenzaban a pasar más tiempo en estado activo. En esencia, todas seguían alternando entre estados al unísono, pero pasaban más tiempo en estado activo si prestaban atención. Si el cambio de estímulo se producía cuando las células se encontraban en un estado más activo, el mono también era más propenso a identificar correctamente el cambio.
“El mono es muy bueno detectando cambios en los estímulos cuando las neuronas de esa columna están activadas, pero no cuando están desactivadas”, explicó Engel. Incluso cuando el mono sabía que debía prestar atención a una zona concreta, si las neuronas pasaban a un estado de menor actividad, el mono solía pasar por alto los cambios en los estímulos.
Engel dijo que este hallazgo es algo que puede resultar familiar para muchas personas. A veces crees que estás prestando atención, señaló, pero aún así se te escapan cosas. Los científicos afirmaron que los hallazgos también guardan relación con trabajos anteriores, en los que se descubrió que los animales y los seres humanos más alertas tienden a tener las pupilas más dilatadas.
En el trabajo actual, cuando los ciclos de actividad cerebral pasaban más tiempo en un estado activo, las pupilas de los monos también se dilataban más. Los hallazgos demuestran una interacción entre las oscilaciones sincrónicas en el cerebro, la atención a una tarea y los signos externos de alerta. “Parece que los mecanismos que subyacen a la atención y la excitación son bastante interdependientes”, afirmó Moore.
Estados de baja energía
Una pregunta que surge de este trabajo es por qué las neuronas pasan a un estado de menor actividad cuando estamos despiertos. ¿Por qué no permanecer en el estado más activo todo el tiempo, por si acaso es entonces cuando ataca el tigre dientes de sable?
Una respuesta podría estar relacionada con la energía. “Hay un costo metabólico asociado con las neuronas que se activan constantemente”, dijo Boahen. El cerebro consume mucha energía y tal vez dar a las células la oportunidad de hacer el equivalente energético a sentarse le permite al cerebro ahorrar energía.
Además, cuando las neuronas están muy activas, generan subproductos celulares que pueden dañar las células. Engel señaló que los estados de baja actividad podrían dar tiempo para eliminar estos desechos neuronales. “Este artículo sugiere dónde buscar estas respuestas”, afirmó Engel.