Circuitos corticales y computación cerebral (I)

Iniciamos en este blog una pequeña serie de artículos que exponen algunos de los esfuerzos más importantes en la actualidad por desarrollar modelos computacionales que recogen la actividad de los micro-circuitos de la corteza cerebral humana. Como sabrá el lector, fue Vernon Mountcastle, a finales de la década de los 50 del siglo pasado, el primer autor que descubrió que el córtex se organiza en columnas y capas de células piramidales que manifiestan una gran regularidad. Paralelamente, Hubel y Wiesel publicaban sus impactantes estudios sobre la organización del córtex visual en animales y humanos y Joaquín Fuster iba poniendo los cimientos de sus ideas sobre la estructura cortical que iban a desembocar en su teoría del "Cognit". Más recientemente, estamos asistiendo a una doble vía por lo que a la postulación de modelos se refiere. Por un lado, encontramos el enfoque, de base anatómica, seguido por el laboratorio de Javier DeFelipe en el Instituto Cajal del CSIC y, por el otro, los modelos, más teóricos e idealizados, de autores como Mumford o Dean. No obstante, todos ellos comparten la aspiración a que sus constructos sirvan para realizar una tarea de modelización del funcionamiento cerebral, uno de los retos científicos más apasionantes en la actualidad, como puede apreciarse en proyectos tales como el "Blue Brain" (http://bluebrain.epfl.ch/). De manera más o menos velada, y con todos los reparos que se quieran poner, transluce la idea de crear un cerebro virtual que, funcional y estructuralmente, sea equivalente a un cerebro humano (estaríamos ante un proyecto de ingeniería virtual del cerebro-algunos lo llamarían "connectomics" o ciencia del estudio de la conectividad funcional y estructural del cerebro-). Es decir, y por trazar un paralelismo con respecto a la creación de vida, si Craig Venter fuera al supermercado y comprara una bolsita de cada uno de los componentes orgánicos necesarios y los combinara, de tal modo, que, en lugar de obtener simples moléculas orgánicas (como en los experimentos de Oparin-Miller), consiguiera de golpe un organismo unicelular, tendríamos algo parecido. Como el lector podrá sospechar, se trata de una tarea hercúlea. Apenas nuestros supercomputadores actuales tienen capacidad para procesar la simulación funcional del sistema retiniano de un gato, como para atreverse con trillones de circuitos neuronales, pero, en el camino, los réditos de esta empresa casi sobrehumana, pueden ser espectaculares. Pensemos en que cada vez existe un mayor convencimiento de que muchas de las patologías cerebrales responden a desorganizaciones estructurales y funcionales de los circuitos cerebrales. El grupo de DeFelipe, por ejemplo, hipotetiza que ciertos estados epileptógenos pueden deberse a la eliminación selectiva de un cierto tipo de células, llamadas, por su forma, neuronas "candelabro". En consecuencia, estamos empezando a reemplazar la gruesa visión tradicional anatomo-patológica por una perspectiva funcional-estructuralista, como demuestran los recientes estudios sobre conectividad de redes funcionales cerebrales del grupo de Del Pozo en el Centro de Tecnología Biomédica o del equipo de Olaf Sporns. Se conjugan, pues, estudios anatómicos y procedentes de técnicas de neuroimagen (medida cuantitativa y cualitativa de las propiedades de los "voxels" que conforman las imágenes), con aplicaciones de instrumentos matemáticos y computacionales, como teoría de grafos o propagación bayesiana de creencias.

Si existe un lugar privilegiado en el que residen las propiedades cognitivas superiores del ser humano, éste es la corteza cerebral. El neocórtex marca verdaderamente nuestra discontinuidad con respecto al resto del reino animal. Un modelo computacional reciente, matemáticamente poderoso y que pretende complementar, en sabia mezcla, hallazgos matemáticos con referencias anatómico-funcionales, es el de George y Hawkins ("Towards a mathematical theory of cortical micro-circuits",2009-http://www.ploscompbiol.org/article/info:doi/10.1371/journal.pcbi.1000532-). Acometeremos un breve análisis crítico de este modelo en una segunda entrega.

Joaquín Fuster: un revolucionario de la Neurociencia

Queremos rendir homenaje en este blog al científico barcelonés, Joaquín Fuster, uno de los auténticos genios de la Neurociencia del siglo XX y cuyas contribuciones han recibido el reconocimiento de premios tan prestigiosos, como el "The Goldman-Raki Price for Cognitive Neuroscience" y el "George Miller Prize" en 2007, concedido por la "Cognitive Neuroscience Society". Nos acercaremos al médico catalán a través de un análisis de su obra maestra, "Cortex and Mind", pero el lector interesado en conocer el desarrollo de una carrera que abarca más de medio siglo, haría bien en entrar en su propia página web, http://www.joaquinfuster.com/

En su obra de 1995, "Memory in the Cerebral Cortex", Fuster defendió que la memoria a corto plazo, la memoria operativa y la memoria a largo plazo, comparten las mismas redes corticales. Se trataba de una hipótesis que, de manera fértil, hibridaba sus trabajos de los años 50 y 60 sobre sistemas de activación reticular en el cerebro y su descubrimiento, en la década de los 70, de células especializadas en la función mnemónica en primates.

La gran cuestión es si existe una correspondencia entre el orden mental y el orden de las estructuras y procesos que acaecen en el sistema neuronal del córtex. La sinapsis desempeña un papel esencial en la formación de redes cognitivas. Las representaciones neurocorticales de nuestros entornos internos y externos se construyen, en gran medida, por modulación de contactos entre neuronas. Según Fuster, en las áreas motoras y sensoriales, pueden trazarse anatómicamente una serie de caminos corticales hacia áreas asociativas superiores. Estos caminos se componen de fibras ascendentes y descendentes. Las redes neocorticales para la representación cognitiva se desarrollan en la misma dirección que la conectividad cortical. La intersección de redes en aquellas áreas justificaría la representación multimodal de objetos. Es fascinante cómo las redes cognitivas se auto-organizan por auto-asociación.

La estructura interna del neocórtex revela su uniformidad: consiste de seis capas, cada una con su arquitectura de células y fibras. La percepción consistiría en la activación, a través de los sentidos, de una red cortical posterior que, representaría en su estructura asociativa, un patrón de relaciones, presente en el entorno. ¿Qué decir de la memoria? Las memorias almacenadas son redes corticales. Hay que tener en cuenta que la memoria es fundamentalmente una función asociativa. La formación de las asociaciones entre las poblaciones de células corticales que configuran las redes de memoria, tiene lugar bajo el control funcional de las estructuras límbicas, especialmente el hipocampo. La atención, repetición y la práctica son operaciones cognitivas que trabajan, de manera sinérgica, en el fortalecimiento de las sinapsis que forman las redes de memoria del córtex. Precisamente, la consolidación de una memoria consistirá en la modulación sináptica bajo aquellas operaciones cognitivas. A partir de aquí será necesario incidir en los distintos tipos de memoria (a corto plazo, perceptual, ejecutiva...), pero lo esencial de la tesis de Fuster es que su base fisiológica son redes organizadas jerárquicamente en el córtex. Más aún, todo el córtex cerebral podría ser considerado como una "web" cortical global, en la que cualquier población neuronal estaría conectada, directa o indirectamente, con cualquier otra, y la fuerza de la conectividad entre ellas variaría en términos de conexiones entre fibras y de vínculos sinápticos.

Otras funciones cognitivas, como la atención, el lenguaje y la inteligencia se organizarían en torno a los mismos principios citados, siempre teniendo en cuenta la peculiaridad específica de su base anatómica. Pero el Doctor Fuster va más allá y se atreve a hipotetizar acerca del sentido funcional de la cúspide de la actividad cerebral: la conciencia. La conciencia, entendida como el flujo de conciencia al que se refería William James, consistiría en la activación secuencial, más allá de un cierto umbral, de las redes corticales de las distintas operaciones cognitivas mencionadas. Así pues, hemos desembocado en la culminación del edificio pacientemente construido por Fuster: un enfoque que unifica toda la cognición.

Sirva esta breve referencia para rendir tributo a uno de los neurocientíficos más brillantes del siglo XX, por derecho propio en la senda de un Tanzi o un Cajal.