Las experiencias enriquecidas impulsan la conectividad cerebral

Resumen: Un nuevo estudio revela cómo las experiencias pueden afectar la conectividad cerebral. El estudio utilizó un neurochip con más de 4000 electrodos para rastrear la actividad neuronal en el cerebro de los ratones.

Los resultados mostraron que los ratones que vivían en un ambiente enriquecido tenían significativamente más neuronas interconectadas que los que vivían en ambientes estándar. Estos hallazgos no solo brindan información sobre la plasticidad del cerebro, sino que también tienen aplicaciones potenciales en inteligencia artificial.

Reflejos:

1. Un equipo de investigadores usó un neurochip para observar la actividad neuronal en cerebros de ratones y descubrió que un entorno enriquecido aumentaba drásticamente las interconexiones en las neuronas.
2. La investigación ofrece una comprensión innovadora de la plasticidad cerebral y las redes neuronales a gran escala.
3. Los hallazgos del estudio tienen implicaciones potenciales para la inteligencia artificial, y los conocimientos pueden ayudar a informar nuevos algoritmos de aprendizaje automático.

Fuente: DZNE

Hace tiempo que se sabe que las experiencias dejan su huella en la conectividad cerebral, pero un estudio pionero realizado por investigadores del Centro Alemán de Enfermedades Neurodegenerativas (DZNE) y la Universidad Tecnológica TUD de Dresden ahora muestra hasta qué punto estos efectos son realmente masivos.

Los hallazgos en ratones proporcionan una visión sin precedentes de la complejidad de las redes neuronales a gran escala y la plasticidad cerebral. Además, podrían allanar el camino para nuevos métodos de inteligencia artificial inspirados en el cerebro.

Los resultados, basados ​​en una innovadora tecnología “brain-on-chip”, se publican en la revista científica Biosensores y bioelectrónica.

Los investigadores de Dresden exploraron la cuestión de cómo una experiencia enriquecida afecta los circuitos cerebrales. Para ello desplegaron un llamado neurochip con más de 4.000 electrodos para detectar la actividad eléctrica de las células cerebrales. Esta innovadora plataforma ha permitido registrar el “disparo” de miles de neuronas simultáneamente.

El área examinada, mucho más pequeña que el tamaño de una uña humana, cubría todo el hipocampo de un ratón. Esta estructura cerebral, compartida por los humanos, juega un papel central en el aprendizaje y la memoria, lo que la convierte en un objetivo principal para los estragos de demencias como la enfermedad de Alzheimer.

Para su estudio, los científicos compararon tejido cerebral de ratones, que fueron criados de manera diferente. Mientras que un grupo de roedores creció en jaulas estándar, que no ofrecían estímulos particulares, los otros fueron alojados en un “ambiente enriquecido” que incluía juguetes reorganizables y tubos de plástico con forma de laberinto.

“Los resultados superaron con creces nuestras expectativas”, dijo el Dr. Hayder Amin, científico principal del estudio. Amin, experto en neuroelectrónica y neurociencia no computacional, dirige un grupo de investigación en DZNE. Con su equipo, desarrolló la tecnología y las herramientas analíticas utilizadas en este estudio.

“Simplificando, podemos decir que las neuronas de los ratones en el medio enriquecido estaban mucho más interconectadas que las criadas en el hábitat estándar. Independientemente del parámetro que analizáramos, una experiencia más rica literalmente impulsó las conexiones en las redes neuronales.

“Estos hallazgos sugieren que llevar una vida activa y variada está dando forma al cerebro en terrenos completamente nuevos”.

Visión sin precedentes de las redes cerebrales

El profesor Gerd Kempermann, que codirige el estudio y ha trabajado en la cuestión de cómo la actividad física y cognitiva ayuda al cerebro a desarrollar su resiliencia frente al envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas, atestigua: “Todo lo que sabíamos en este campo hasta ahora era ya sea aprendido de estudios con electrodos individuales o técnicas de imagen como la resonancia magnética.

“La resolución espacial y temporal de estas técnicas es mucho más tosca que nuestro enfoque. Aquí podemos ver literalmente el funcionamiento de los circuitos hasta la escala de las células individuales. Aplicamos herramientas informáticas avanzadas para extraer una enorme cantidad de detalles sobre la dinámica de la red en el espacio y el tiempo de nuestras grabaciones. »

“Hemos descubierto una gran cantidad de datos que ilustran los beneficios de un cerebro moldeado por una rica experiencia. Esto allana el camino para comprender el papel de la plasticidad y la formación de reservas en la lucha contra las enfermedades neurodegenerativas, especialmente en lo que respecta a nuevas estrategias preventivas”, dijo el profesor Kempermann, quien, además de ser investigador de DZNE, también está afiliado al Centro. para Terapias Regenerativas Dresden (CRTD) en TU Dresden.

“Además, ayudará a proporcionar información sobre los procesos de enfermedad asociados con la neurodegeneración, como las disfunciones de la red cerebral”.

Potencial para la inteligencia artificial inspirada en el cerebro

“Al descubrir cómo las experiencias dan forma al conectoma y la dinámica del cerebro, no solo estamos empujando los límites de la investigación del cerebro”, dice el Dr. Amin.

“La inteligencia artificial se inspira en la forma en que el cerebro calcula la información. Por lo tanto, nuestras herramientas y la información que generan podrían allanar el camino para nuevos algoritmos de aprendizaje automático.

Sobre esta noticia de investigación sobre neuroplasticidad

Autor: marcus neitzert
Fuente: DZNE
Contactar: Marcus Neitzert – DZNE
Imagen: La imagen está acreditada a Neuroscience News.

Investigacion original: Acceso libre.
“Biosensor basado en CMOS de alta resolución para evaluar la dinámica del circuito del hipocampo en la plasticidad dependiente del experimento” por Hayder Amin et al. Biosensores y bioelectrónica

Abstracto

Biosensor basado en CMOS de alta resolución para evaluar la dinámica del circuito del hipocampo en la plasticidad dependiente del experimento

La riqueza experiencial crea cambios a nivel de tejido y plasticidad sináptica a medida que surgen patrones de la actividad rítmica espacio-temporal de grandes conjuntos neuronales interconectados.

A pesar de numerosos enfoques experimentales y computacionales a diferentes escalas, el impacto preciso del experimento en la dinámica computacional a escala de red sigue siendo difícil de alcanzar debido a la falta de una metodología de registro a gran escala aplicable.

Aquí demostramos un biosensor basado en un circuito cerebral biohíbrido multisitio a gran escala en CMOS con una resolución espacio-temporal sin precedentes de 4096 microelectrodos, que permite la evaluación electrofisiológica simultánea en subarreglos corticales del hipocampo de ratón. condiciones (SD).

Nuestra plataforma, equipada con varios análisis computacionales, revela los impactos del enriquecimiento ambiental en la dinámica neuronal espaciotemporal local y global, la sincronía de puertas, la complejidad de la red topológica y el conectoma a gran escala.

Nuestros resultados describen el papel distintivo de la experiencia previa en la mejora de la codificación dimensional multiplexada formada por conjuntos neuronales y la tolerancia al error y la resistencia a fallas aleatorias en comparación con las condiciones estándar.

La amplitud y profundidad de estos efectos resaltan el papel fundamental de los biosensores a gran escala y de alta densidad para proporcionar una nueva comprensión de la dinámica computacional y el procesamiento de la información en condiciones de plasticidad fisiológica multimodales y dependientes del sensor.

El conocimiento de estas dinámicas a gran escala puede inspirar el desarrollo de modelos computacionales biológicamente plausibles y redes informáticas de inteligencia artificial y extender el alcance de la computación neuromórfica inspirada en el cerebro a aplicaciones novedosas.