Investigadores han tomado un paso clave hacia la recuperación de funciones cerebrales específicas en personas que han sufrido enfermedades y lesiones del cerebro al restaurar con éxito los procesos de toma de decisiones en monos.
Al colocar un dispositivo neural en la parte frontal de los cerebros de los monos, los investigadores del Wake Forest Baptist Medical Centre, la University of Kentucky y la University of Southern California, fueron capaces de recuperar, e incluso mejorar, la habilidad de los monos para tomar decisiones cuando su funcionamiento normal cognitivo fue perturbado.
El estudio, que ha sido publicado hoy, 14 de septiembre, en el Journal of Neural Engineering de IOP Publishing, involucraba el uso de una prótesis neural, que consistía en un arreglo de electrodos midiendo las señales de neuronas en el cerebro para calcular cómo podría restaurarse la capacidad de los monos para realizar una tarea de memoria.
En la tarea retrasada de coincidencia a la muestra, una imagen se proyectaba en una pantalla, y después de un retraso, se le pedía a los monos que seleccionaran la misma imagen en la pantalla de una muestra que incluía de 1 a 7 imágenes. Cinco monos (todos rhesus, Macaca mulatta) fueron involucrados en el experimento y fueron entrenados por dos días para llevar a cabo una calificación de 70-75 por ciento en la tarea.
El movimiento de los brazos de los monos fue rastreado con una cámara y trasladado a los movimientos del cursor en la pantalla; se les premió con una gota de jugo cuando acertaban en encontrar la imagen que coincidía.
La prótesis se colocó dentro de dos capas corticales – L2/3 y L5 – del cerebro y registraban la actividad cerebral dentro de estructuras conocidas como minicolumnas en el área del córtex prefrontal.
Una vez que se confirmaba que la comunicación minicolumnar entre las capas – L2/3 y L5 – estaba involucrada en el proceso de toma de decisiones, se suprimía administrando la droga modificadora de dopamina, cocaína, a los monos. La tarea se realizó de nuevo pero esta vez los investigadores llevaron a cabo un modelo “multi-input multi-output nonlinear” (MIMO) para estimular las neuronas que se utilizaban en la tarea.
“El modelo MIMO es un tipo de cálculo específico que busca la relación matemática compleja entre una entrada (ó input L2/3) y una saluda (ó output L5). En el caso de la actividad neural, la salida es típicamente el patrón de fuego de neuronas individuales durante la tarea.”
“Las entradas a ese patrón pueden ser flujo sanguíneo, temperatura, actividad eléctrica de otras neuronas, e incluso la actividad eléctrica previa de la misma célula,” dijo el autor principal del estudio, el profesor Robert Hampson.
Al registrar las entradas de las neuronas de la capa L2/3, el modelo MIMO pudo predecir la salida en las neuronas de la capa L5, y con ello, a través de los electrodos, estimular eléctricamente las mismas neuronas L5 necesarias. Los resultados mostraron que el modelo MIMO fue excesivamente efectivo en recuperar el desempeño de la tarea e incluso fue capaz de mejorar el desempeño bajo condiciones normales.
“La razón por la cual el modelo MIMO fue efectivo en mejorar el desempeño en la tarea fue porque específicamente ‘afinamos’ el modelo para analizar el fuego de las neuronas que ocurría cuando los animales realizaban correctamente la tarea de comportamiento; el cerebro no siempre produce el patrón completo ‘correcto’ en cada prueba,” dijo el autor senior, el profesor Sam Deadwyler.
Con respecto a utilizar este método para el tratamiento en condiciones del cerebro humano, el profesor Deadwyler continuó: “En el caso de lesiones o enfermedades cerebrales donde son mayores las áreas afectadas, el sistema podría registrar las entradas a esa área de otras áreas y, cuando ocurran, programar la entrega de los patrones de salida apropiados para regiones del cerebro que normalmente reciben señales del área lesionada, y por lo tanto restaurar la función cerebral perdida.”
Todos los procedimientos realizados en animales fueron supervisados y aprobados por el Institutional Animal Care and Use Committee de la Wake Forest University, en concordancia con los lineamientos de el U.S. Department of Agriculture, la International Association for the Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care, y de los National Institutes of Health.
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