Cuando estamos profundamente dormidos, nuestros ciclos de actividad cerebral fluyen y refluyen en olas grandes y evidentes, como ver una marea de cuerpos humanos levantarse y sentarse alrededor de un estadio deportivo. Es difícil no darse cuenta. Ahora, investigadores de Stanford han descubierto que esos mismos ciclos existen tanto en la vigilia como en el sueño, pero con sólo pequeñas secciones que se sientan y se levantan al unísono en lugar de todo el estadio. Es como si pequeñas partes del cerebro se durmieran y despertaran de forma independiente todo el tiempo.
Es más, parece que cuando las neuronas han pasado al estado más activo, o "encendido", responden mejor al mundo. Las neuronas también pasan más tiempo en estado activado cuando prestan atención a una tarea. Este hallazgo sugiere que los procesos que regulan la actividad cerebral durante el sueño también podrían desempeñar un papel en la atención.
"La atención selectiva es similar a hacer que pequeñas partes del cerebro estén un poco más despiertas", afirma Tatiana Engel, becaria postdoctoral y coautora principal de la investigación, cuya publicación está prevista para el 1 de diciembre en Science. El otro coautor principal es Nicholas Steinmetz, antiguo estudiante de posgrado que realizó los experimentos neurofisiológicos en el laboratorio de Tirin Moore, catedrático de Neurobiología y uno de los autores principales.
Encendido y apagado del ciclismo
Para entender estos ciclos de actividad cerebral recién descubiertos es necesario conocer un poco cómo está organizado el cerebro. Si claváramos un alfiler directamente en el cerebro, todas las neuronas responderían al mismo tipo de cosas. En una columna, todas responderían a objetos situados en una parte concreta del campo visual: la parte superior derecha, por ejemplo.
El equipo utilizó un conjunto de clavijas muy sensibles capaces de registrar la actividad de una columna de neuronas del cerebro. Hasta ahora se sabía que las neuronas pasaban por fases de mayor o menor actividad, pero con esta sonda vieron por primera vez que todas las neuronas de una columna pasaban de dispararse muy rápido a hacerlo a un ritmo mucho más lento, similar a los ciclos coordinados del sueño.
"En estado activado, todas las neuronas empiezan a disparar rápidamente", explica Kwabena Boahen, catedrático de Bioingeniería e Ingeniería Eléctrica de Stanford y autor principal del artículo. "Luego, de repente, cambian a una frecuencia de disparo baja. Esta conmutación de encendido y apagado ocurre todo el tiempo, como si las neuronas lanzaran una moneda al aire para decidir si van a estar encendidas o apagadas".
Esos ciclos, que se producen en el orden de segundos o fracciones de segundo, no eran tan visibles cuando se 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 propaga por casi todo el cerebro y es fácil de detectar.
Presta atención
El equipo descubrió que los estados de mayor y menor actividad están relacionados con la capacidad de responder al mundo. El grupo utilizó su sonda en una región del cerebro de los monos que detecta específicamente una parte del mundo visual. Los monos habían sido entrenados para prestar atención a una señal que indicaba que algo en una parte concreta del campo visual -la parte superior derecha, por ejemplo, o la inferior izquierda- estaba a punto de cambiar ligeramente. Los monos recibían una recompensa si identificaban correctamente que habían visto ese cambio.
Cuando el equipo les indicó dónde podía producirse un cambio, las neuronas de la columna que percibe esa parte del mundo empezaron a pasar más tiempo en estado activo. En esencia, todas seguían cambiando de estado al unísono, pero pasaban más tiempo en estado activo si prestaban atención. Si el cambio de estímulo se producía cuando las células estaban en un estado más activo, también era más probable que el mono identificara correctamente el cambio.
"El mono detecta muy bien los cambios de estímulo cuando las neuronas de esa columna están activadas pero no desactivadas", explica 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 pasaba por alto con frecuencia el cambio de estímulo.
Engel dijo que este hallazgo es algo que puede resultar familiar a mucha gente. A veces uno cree que está prestando atención, señaló, pero aun así se le escapan cosas. Los científicos afirman que los resultados también guardan relación con trabajos anteriores, según los cuales los animales y los seres humanos más despiertos tienden a tener las pupilas más dilatadas.
En el trabajo actual, cuando los ciclos de actividad cerebral pasaban más tiempo en estado activo las pupilas de los monos también estaban más dilatadas. Los resultados demuestran una interacción entre las oscilaciones sincrónicas del cerebro, la atención a una tarea y los signos externos de alerta. "Parece que los mecanismos subyacentes a la atención y la excitación son bastante interdependientes", afirma 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 es entonces cuando ataca el tigre dientes de sable?
Una respuesta podría estar relacionada con la energía. "Hay un coste metabólico asociado al hecho de que las neuronas estén encendidas todo el tiempo", afirma Boahen. El cerebro consume mucha energía y quizá dar a las células la oportunidad de hacer el equivalente energético de sentarse permita 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 a eliminar estos residuos neuronales. "Este trabajo sugiere dónde buscar estas respuestas", afirma Engel.