SINCRONIZACIÓN NEURONAL

 

15. SINCRONIZACIÓN NEURONAL


Durante años, dado que las neuronas parecen osciladores acoplados, se han elaborado modelos de cómo podrían sincronizarse. Son conocidos, por ejemplo, los modelos presentados por Eurich, en los que la sincronización parece posible en el cerebro entre neuronas, y tan fácil que casi parecería necesaria, inevitable: si dos neuronas están descargándose, una cerca de la otra, probablemente acabarán sincronizándose, al ser fisiológicamente iguales y estar inmersas en un medio iónico común. Los mecanismos neuronales responsables de la sincronización han sido investigados por varias personas, incluyendo modelos artificiales que, posiblemente, se parecen a los naturales. Lo que llama la atención del modo mediante el que probablemente se terminan sincronizando las neuronas, mediante su interacción retroactiva, es que los mecanismos de sincronización son simples: si se ponen dos neuronas descargando, una cerca de la otra, es probable que acaben sincronizando sus frecuencias, acoplando sus descargas a lo largo del tiempo, por una sencilla razón: acabarán igualando su flujo de iones por mera proximidad y por estar flotando en un mismo medio iónico. Eurich ha dedicado sus esfuerzos a desentrañar estos mecanismos, a priori enigmáticos, pero simples, una vez descritos. La descripción se puede encontrar en su artículo, Sincronización neuronal, publicado en Mente y cerebro (2003).


Cualquier sistema de osciladores acoplados, sistemas de osciladores interconectados y con frecuencias características, como es el caso de las neuronas, se autoorganiza espontáneamente y el resultado es la sincronización (Strogatz, S. H. et al. Colletive dynamics of coupled oscillators with random pinning. Physica D: Nonlinear Phenomena 1989; 36: 23-50). La autoorganización y la periodicidad, y con ello la sincronización neuronal, son posibles en el cerebro, al tratarse de un sistema neguentrópico y abierto.


La sincronización neuronal se considera un mecanismo de integración neuronal, al permitir explicar la conexión funcional de conjuntos neurales (Lopes Da Silva, F. EEG and MEG: Relevance to Neuroscience. Neuron 2013; 80: 1112-28).


Se ha propuesto que durante la percepción visual la sincronización neural de las neuronas implicadas ocurriría en una frecuencia peculiar, de 40 Hz, el llamado ritmo gamma, investigado por Wolf Singer y por Gray. Fischbach lo revisó en el artículo Mente y cerebro, publicado en Investigación y ciencia, en 1992. Según Singer la sincronización de emisiones de señales procedentes de neuronas espacialmente distintas, activándose sincrónicamente a 40 Hz, correspondería a las distintas características del objeto, forma, color, etc., que uno afirme percibir integradas en la forma de un objeto único en un momento dado. Las oscilaciones a 40 Hz podrían sincronizar conjuntos de neuronas que, por su especificidad espaciotemporal, en un momento dado estuvieran especializadas en los distintos componentes perceptibles de una escena visual y constituir, tal vez, un correlato directo de la percepción consciente de lo que se ve, o al menos parte del correlato. Es una idea discutible, porque si las neuronas espacialmente distintas se sincronizasen, una a una, a 40 Hz, o a la frecuencia que fuera, homogenizarían sus códigos y no podrían formar parte de la percepción de una bola de billar roja, porque no se distinguiría la forma del color.


Bart Kosko ha propuesto el teorema BAM de la memoria asociativa bidireccional, según el cual las redes neuronales se unifican correlacionándose, lo cual se representa matemáticamente multiplicando partes unitarias de una red con las de la otra, de manera que la correlación de ambas redes ya no supondría un “si A, entonces B”, sino un “si X es A, entonces Y es B”, cuyo resultado sería la activación sincrónica de ambas redes. Estos patrones ordenados de activación de redes unificadas serían posibles a pesar del caos en el sistema.


Recientes investigaciones, como las llevadas a cabo por Alfonso Renart y Jaime de la Rocha, por un lado, y por Alexander Ecker, por otro, han demostrado que las neuronas no tenderían inevitablemente a sincronizarse por sistema, al encontrarse en proximidad, la sincronización no se verificaría en todo caso de manera necesaria. Estos hallazgos son interesantes, porque la sincronización neuronal, entendida como la sincronización de las frecuencias de descarga, no debería ser la clave para la explicación de lo que el cerebro hace durante el fenómeno la percepción y ni siquiera sería lo que el cerebro tendería a hacer en todo caso. Como se ha visto, la sincronización de frecuencias de las neuronas correlativas, potencial de acción a potencial de acción, homogeneizaría su actividad, los códigos heterogéneos, por ejemplo, “forma” y “color”, desaparecerían y no se podría percibir una bola roja.


Según Edelman y Tononi, entre redes paralelas se producen interacciones retroactivas, sincronizándose de este modo, por reentrada; aparte de la reentrada corticocortical, que han postulado Edelman y Tononi, se ha hablado también de una reentrada talamocortical, que Llinás y su equipo han investigado durante años; se puede encontrar una descripción comprensible de la reentrada en un artículo de Zeki, titulado: La imagen visual en la mente y en el cerebro, publicado en Investigación y ciencia, en 1992.


La sincronización de frecuencias y la reentrada deben de formar parte de la simultaneidad de la actividad neural en parte, como ocurre en el caso de la sincronización de frecuencias necesaria para que se produzca una contracción muscular sinérgica, por ejemplo, pero la clave de la formación de redes en el cerebro durante la percepción consciente y por tanto la explicación de la conciencia no parece que puedan ser sólo la sincronización de frecuencias y la reentrada, al ser la percepción de cualquier cosa heterogénea y al suponer la sincronización de frecuencias una pérdida de esa heterogeneidad de la actividad neural y de la información que codifican.


Damasio, en su libro, El error de Descartes, contaba que la actividad simultánea, en distintos lugares del cerebro, conecta las partes de la mente separadas. Damasio también decía: “… (la) integración mental se crea a partir de la acción concertada de sistemas a gran escala mediante conjuntos sincronizados de actividad neural en regiones separadas del cerebro”. El propio Damasio aclaraba: “… la sincronización es una parte importante del mecanismo… de ligazón… de las partes de la mente que se integran… pero la sincronización (de frecuencias no trata de ser la)… explicación (última de esta ligazón)”.


Una onda es una perturbación transmitida en un medio o en el vacío. Un movimiento ondulatorio consiste en la transmisión de un movimiento vibratorio armónico simple, que es un vaivén periódico alrededor de un punto, con velocidad variable, proporcional a la distancia al punto. Se puede representar gráficamente con una línea ondulada, con el tiempo en abscisas, para visualizar que una onda tiene periodo y frecuencia. Un pico es el punto más alto de cada ondulación. Una fase de la onda es un punto concreto a lo largo de la línea ondulada. La distancia en la gráfica entre las fases sucesivas de una onda se conoce como diferencia de fase. Si la onda es regular, la diferencia de fase será constante. Dadas dos ondas, se podrá comprobar que también existirá una diferencia de fase entre ellas.


Cuando dos ondas coinciden por todas sus fases, por ejemplo, por todos sus picos, se dice que se ha producido una sincronización de frecuencias. Para que ésto ocurra ambas ondas deben tener la misma frecuencia. Si las dos ondas sincronizan sus frecuencias, la diferencia de fase entre ellas será constante. Una diferencia de fase constante entre dos ondas supondrá un acoplamiento de las oscilaciones de ambas en función del tiempo, una sincronización. Lo mismo ocurre con los osciladores acoplados, como las neuronas, que, aunque no son ondas, como sus descargas presentan periodicidad y frecuencia, pueden sincronizar sus frecuencias, por ejemplo, por los picos (“spikes”) de sus potenciales de acción, y puede establecerse una diferencia de fase constante entre sus descargas.


Cuando la diferencia de fase entre dos señales neurales (simples o complejas) es constante, y ambas tienen la misma frecuencia, entonces estarán sincronizadas sus frecuencias, sus descargas serán homogéneas, lo cual tiene que ver con algunas formas de propagación de señal por las redes neurales (Lopes Da Silva, F. EEG and MEG: Relevance to Neuroscience. Neuron 2013; 80: 1112-28), como pueda ser el caso, por poner un ejemplo, de la sincronización por estímulo neurógeno de las fibras musculares involucradas en la contracción muscular sinérgica.


Dadas dos ondas, supóngase que una tiene una frecuencia regular de 2 Hz y la otra de 3 Hz. Al mantener frecuencias distintas no podrán sincronizar sus frecuencias, no podrán coincidir por todos sus picos. Para éso tendrían que tener la misma frecuencia, estar las dos a 2 Hz, o las dos a 3 Hz. Si la primera onda presenta una frecuencia de 2 Hz y la segunda de 3 hz, pueden sincronizarse y mantener una diferencia de fase constante de otro modo: pueden coincidir, en un punto de abscisas, las dos ondas, por una misma fase de cada una, cada cierto número de vueltas constante para cada onda. En el ejemplo, las dos ondas coincidirán por una misma fase de cada onda cada 2 oscilaciones de la primera y cada 3 oscilaciones de la segunda, estableciéndose mediante este otro mecanismo una diferencia de fase constante también. Otra forma de sincronizarse sin necesidad de sincronizar sus frecuencias.


Hay, por tanto, dos formas por las que puede producirse una sincronización entre dos ondas, es decir, el establecimiento de una diferencia de fase constante: una, mediante una sincronización de frecuencias, cuando las dos ondas tienen la misma frecuencia, lo cual da lugar a una diferencia de fase constante, por ejemplo, entre todos los picos de ambas ondas, y, dos, mediante una sincronización de fases, cuando las dos ondas no tienen la misma frecuencia, que da lugar a una diferencia de fase constante entre secuencias concretas de picos de ambas ondas (en vez de quedar engranadas por todos los picos quedarían engranadas por secuencias concretas de picos).


Para que se produzca una sincronización de fase la emisión de ambas ondas debe ser coherente, debe producirse a la vez, coincidiendo por una primera fase de cada una, quedando acopladas así en función del tiempo a partir de ese punto, al establecerse una diferencia de fase constante entre las ondas a partir de ese punto, pero independientemente de sus frecuencias, a diferencia de lo que ocurría con la sincronización de frecuencias.


La descarga coherente de potenciales de acción en neuronas de redes paralelas y compatibilizables (redes que pueden ser coherentes entre sí), para que pueda tener lugar su sincronización de fase, y dado que las neuronas pueden actuar también como marcapasos, como otras células excitables del organismo con capacidad para descargarse, podría estar produciéndose gracias al marcapasos talamocortical y demás circuitos retroactivos conocidos, según las descripciones de Bishop, Llinás, Edelman (que, como se ha visto, denominó “reentrada” a la actividad retroactiva, en bucle, corticocortical) y otros investigadores (Uhlhaas, P. J. et al. The role of oscillations and synchrony in cortical networks and their putative relevance for the pathophysiology of schizophrenia. Schizophr bull 2008; 34: 927-43).


La sincronización de fase entre señales neuronales simples no se ha investigado aún, pero se ha propuesto como hipótesis (Fontoira M. Mente y Biofísica II. Revista de Neurología 2010; 51: 190-191).

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