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El cerebro y la memoria

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El cerebro y la memoria
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El circulo de Willis

Una nueva estimación eleva 10 veces la capacidad de memoria del cerebro humano

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La capacidad de almacenamiento del cerebro humano es de un orden de magnitud mayor de lo que se pensaba, informaron investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos la semana pasada. Los hallazgos, recientemente detallados en eLife, son importantes no solo por lo que dicen sobre el espacio de almacenamiento, pero de forma más importante porque nos llevan hacia una mejor comprensión de cómo, exactamente, se codifica la información en nuestros cerebros.

Cerebro2.jpg

La pregunta de cuanta información pueden albergar nuestros cerebros es antigua. Sabemos que el cerebro humano se compone de alrededor de 100.000 millones de neuronas, y que cada una realiza 1.000 o más conexiones con otras neuronas, lo que resulta en unos 100 billones de conexiones en total. También sabemos que la fortaleza de estas conexiones, o sinapsis, están reguladas por la experiencia. Cuando las dos neuronas a cada lado de una sinapsis están activas simultáneamente, la sinapsis se hace más robusta; la espina dendrítica (la antena en la neurona receptora) también se hace más grande para soportar el aumento en la intensidad de la señal. Se cree que estos cambios en la fuerza y ​​el tamaño son las correlaciones moleculares de la memoria. Los diferentes tamaños de antena a menudo se comparan con los bits de código de una computadora, solo que en lugar de únicamente los valores de 1 y 0, estos pueden asumir un rango más amplio de valores. Hasta la semana pasada los científicos no tenían idea exactamente de hasta cuantos valores. Basándose en mediciones preliminares, identificaron solo tres valores: pequeño, mediano y grande.

Pero una observación curiosa llevó al equipo del Instituto Salk a perfeccionar esas mediciones. En el proceso de reconstrucción de un hipocampo de rata, un área del cerebro de los mamíferos que participa en el almacenamiento de memoria, notaron que algunas neuronas formaban dos conexiones entre sí: el axón (o cable de envío) de una neurona conectaba con dos espinas dendríticas (o antenas de recepción) en la misma neurona vecina, lo que sugiere que se pasan mensajes duplicados del emisor al receptor. Como ambas dendritas estaban recibiendo información idéntica, los investigadores sospecharon que serían similares en tamaño y fuerza. Pero también se dieron cuenta de que si hubiese diferencias significativas entre las dos, esto apuntaría a un nivel totalmente nuevo de complejidad. Si las espinas fuesen de un tamaño o forma diferente, razonaron, el mensaje que difundirían también sería ligeramente diferente, aunque ese mensaje viniese del mismo axón.

Neurona Animada WikicharliE.gif

Así que decidieron medir los pares sinápticos. Y, efectivamente, encontraron una diferencia del 8 por ciento en el tamaño de las espinas dendríticas conectadas al mismo axón de una neurona de señalización. Esa diferencia puede parecer pequeña, pero cuando incluyeron el valor en sus algoritmos, calcularon un total de 26 tamaños de sinapsis únicas. Un mayor número de tamaños de sinapsis significa más capacidad de almacenamiento de información, que en este caso se traduce en una capacidad de almacenamiento en el hipocampo en su conjunto 10 veces mayor de lo que el modelo anterior, de tres tamaños, había indicado. "Es un orden de magnitud mayor en la capacidad de lo que sabíamos que estaba allí", dice Tom Bartol, científico del Instituto Salk y autor principal del estudio.

Pero si nuestra capacidad de memoria es tan grande, ¿por qué nos olvidamos de las cosas? Porque, realmente, la capacidad no es el problema, dice Paul Reber, un investigador de la memoria en la Universidad del Northwestern que no participó en el estudio, "cualquier análisis del número de neuronas dará lugar a una idea de la enorme capacidad del cerebro humano. Pero no importa porque nuestro proceso de almacenamiento es más lento que nuestra experiencia del mundo. Imagínese un iPod con capacidad de almacenamiento infinita. Incluso pudiendo almacenar cada canción jamás escrita, usted todavía tendría que comprar y cargar toda esa música y luego escoger canciones individuales cuando quiera escucharlas”.

Reber dice que es casi imposible cuantificar la cantidad de información en el cerebro humano, en parte porque consiste en mucha más información de la que somos conscientes: no solo hechos y caras y habilidades medibles, sino también funciones básicas tales cuales cómo hablar y moverse y otras de orden superior como la forma de sentir y expresar emociones. "Recogemos mucha más información del mundo que '¿qué es lo que recuerdo de ayer?'" ,dice Reber. "Y todavía no sabemos realmente como escalar de la computación la fuerza sináptica a mapear estos procesos complejos”.

Aunque el estudio de Salk nos acerca un poco. "Han hecho una reconstrucción increíble", dice Reber. "Y añade significativamente a nuestra comprensión no solo de la capacidad de memoria pero de manera más importante a lo compleja que es en realidad la forma de almacenamiento de la memoria". Eventualmente los hallazgos podrían allanar el camino hacia toda clase de avances: ordenadores de bajo consumo que imiten las estrategias de transmisión de datos del cerebro humano, por ejemplo, o una mejor comprensión de las enfermedades cerebrales en las que están implicadas sinapsis disfuncionales.

Pero primero los científicos tendrán que ver si los patrones que hallados en el hipocampo son válidos también para otras regiones del cerebro. El equipo de Bartol ya trabaja para responder a esta pregunta. Tienen la esperanza de mapear los productos químicos, que pasan de neurona a neurona, que tienen una capacidad aún mayor que las sinapsis variables para almacenar y transmitir información. Por lo que a una medición precisa de la capacidad total del cerebro se refiere, "estamos todavía muy lejos", dice Bartol. "El cerebro todavía nos esconde muchos, muchos misterios por descubrir".[1]

El cerebro pertenece a un paciente epiléptico. La fotografía fue tomada por Ludlow en una cirugía. Las arterias de color rojo brillante son las que irrigan el cerebro con los nutrientes y el oxígeno. En su caso, las venas de color púrpura, son las que eliminan la sangre sin oxígeno. Esta fotografía fue tomada antes de un procedimiento de electrodo de registro intracraneal para la epilepsia, en el que la actividad eléctrica se mide desde la superficie expuesta del cerebro.

El momento exacto en que tu cerebro «graba» un recuerdo

El experimento fue llevado a cabo con neuronas de ratón. ¿Estará recordando algún trozo de queso?

Un equipo en la Universidad Carnegie Mellon decidió investigar esto a través de representaciones neurales específicas.

Si decimos, El martes pasado recibí un choque eléctrico. Esta información parece irrelevante a simple vista, pero el hecho de haberla mencionado probablemente activó una región en el cerebro de quien esta leyendo WikicharliE, buscando una referencia sobre la sensación de recibir un choque eléctrico. Ahora, ¿cómo quedó registrada esa información en primer lugar? Muchas cosas son asimiladas a través de un experiencia directa (como el propio choque) pero otras son transmitidas indirectamente. Cambiemos el ejemplo: Miles de personas observan un documental sobre jirafas. A través de ese documental aprenden que una jirafa necesita más de 30 kilogramos de follaje por día, y su sistema digestivo tiende a ser más eficiente que el de otros herbívoros. ¿Qué acaba de hacer nuestro cerebro con esos datos?

Grabar un recuerdo.jpg

Un grupo de investigadores en la Universidad Carnegie Mellon decidió averiguar como guardamos los recuerdos con un estudio en el que participaron 16 personas. Todas ellas recibieron información sobre ocho animales extintos, incluyendo sus dietas y su hábitat. Andrew Bauer, líder del estudio, y el profesor de neurociencia cognitiva Marcel Just, utilizaron un sistema de resonancia magnética funcional para obtener imágenes precisas mientras todos estos nuevos conceptos eran invocados por el cerebro. Cada uno de esos conceptos generaron una especie de «firma», y con la ayuda de una plataforma de software, los investigadores fueron capaces de reconocer en qué animal estaba pensando cada participante en un momento determinado, lo que podría interpretarse como «leer la mente».

Otro aspecto muy interesante es que cuando dos o más animales comparten un aspecto, las «firmas» del cerebro poseen cierta similitud, y una vez que los detalles sobre un animal fueron asimilados por completo, permanecen intactos aún frente a la llegada de nueva información, lo que expone la llamada «durabilidad neural» de aquello que aprendemos. La idea es que el estudio permita desarrollar nuevos métodos de aprendizaje en el futuro, pero lo más importante, entender mejor la pérdida de conocimiento causada por condiciones como daño cerebral, demencia, y la siempre presente enfermedad de Alzheimer.[2]

El sistema de riego cerebral

Sistema de riego cerebral.png

Una imagen para contemplar el “sistema de riego” cerebral, abundante y abigarrado, que nos permite comprender y medir la complejidad de este nuestro querido órgano a través de sus necesidades de oxígeno. Como podemos ver si comparamos la densidad de vasos sanguíneos de la cabeza con el resto del tronco, el cerebro parece un “privilegiado”.

Vasos sanguineos en el hombre.jpg

Neurofisiólogos detectan cómo el cerebro viaja al pasado

Sistema nervioso central humano periférico

Científicos de la Universidad Vanderbilt en Nashville (EE.UU.) han descubierto cómo el cerebro conserva los recuerdos del pasado. Tras observar la actividad del lóbulo temporal medial durante un experimento, los investigadores han concluido que el cerebro cataloga los recuerdos en función de una secuencia provisional.

El descubrimiento principal consiste en que cada fragmento de la memoria de un ser humano está marcado con las llamadas 'timestamps' ('marcas del tiempo'), informa 'Journal of Neuroscience'.

Sean Polyn, uno de los especialistas que participó en la investigación, explica que, por su funcionamiento, estas marcas se parecen a los índices que se usan en los bancos de datos electrónicos, y la manera en cómo se guardan se asemeja a la clasificación de los archivos informáticos en función de su fecha de creación. Así, los investigadores subrayan que el lóbulo temporal medial es un banco de los recuerdos y se encarga de "los viajes mentales al pasado". Un método exclusivo elaborado por la Universidad de Vanderbilt permitió averiguar cómo funcionan las distintas partes del lóbulo y descubrir también cómo interactúan. Los neurofisiólogos descubrieron que la parte delantera del lóbulo temporal medial extrae los recuerdos y la activación de su parte trasera indica que estamos sumidos en evocaciones profundas, es decir, "viajando al pasado".

Los científicos consideran que el conocimiento de cómo se guarda la información en el cerebro podría ser muy útil y tener aplicaciones médicas en el tratamiento de los pacientes de alzhéimer y epilepsia, para conservar la memoria y los recuerdos, los cuales estas dolencias suelen borrar.

Lóbulo temporal medial

Centros nerviosos del cerebro

El lóbulo temporal medial consiste en estructuras que son vitales para la memoria declarativa o de largo plazo. La memoria declarativa o explícita es la memoria consciente dividido en la memoria semántica y la memoria episódica: estructuras del lóbulo temporal medial que son críticas para la memoria a largo plazo incluyen la amígdala cerebral y el hipocampo, junto con la región del hipocampo rodea consistente en la perirrinal, parahipocampal , y las regiones entorrinal neocorticales: El hipocampo es crítico para la formación de la memoria, y la corteza temporal medial circundante está actualmente teoriza para ser crítico para el almacenamiento de la memoria: Las cortezas prefrontales y visual también están involucrados en la memoria explícita.

La investigación ha demostrado que las lesiones en el hipocampo de monos resultados en el deterioro de la función limitada, mientras que las lesiones extensas que incluyen el hipocampo y la corteza temporal medial resultado en deterioro severo.

Temporal.jpg

Cuantas tareas puede manejar el cerebro humano al mismo tiempo

El cerebro humano ha sido descrito como una maquina de computación paralela masiva, pero ¿cuan paralela puede ser? un estudio reciente está ofreciendo resultados inesperados.

Procesos cerebrales

El neurocientífico Harris Georgiou de la Universidad nacional de Kapodistrian de Atenas Grecia se dio a la tarea de contar el número de “núcleos de proceso” que trabajan en el cerebro humano, mientras realiza tareas simples, en una maquina de resonancia magnética.

El cerebro humano consta de unos 1000 millones de neuronas cada una con la capacidad de realizar 10,000 conexiones con sus contrapartes, al usar una maquina de resonancia y al cuantificar el cerebro en pixeles tridimensionales llamados Voxeles (cada uno de aproximadamente cinco milímetros cúbicos), Georgiu fue capaz de mapear la actividad completa del cerebro usando una red de 60 x 60 x 60 voxeles, a través de este método, produjo un flujo de información de aproximadamente 30 millones de puntos de información. La actividad cerebral fue registrada mientras los participantes realizaban una de dos tareas sencillas, una tarea visual-motora la otra de reconocimiento visual, esto fue lo que descubrieron:

pixeles tridimensionales llamados Voxeles, cada uno de aproximadamente cinco milímetros cúbicos
  • Aunque el análisis es complejo, lo que arroja es simple de declarar, Georgiu dice que que el análisis de los componentes independientes revelan que cerca de 50 process independientes están involucrados las tareas anteriormente descritas, indicadas por la presencia de los voxeles rojos y verdes, sin embargo, el cerebro usa menos procesos cuando lleva tareas simples, como el reconocimiento visual.
  • Es un resultado fascinante, que tiene implicaciones importantes para los científicos que intentan imitar el cerebro humano a través de de los chips, implica que los procesos en paralelo no se dan a nivel celular sino a un nivel mucho más alto a nivel estructural y funcional y que hay aproximadamente 50 de ellos.
  • Georgiu apunta que un voxel promedio corresponde aproximadamente de tres millones de neuronas, cada una con capacidad de conectarse con miles de sus vecinas, sin embargo, el estado actual de los chips neuromórficos contienen un millón de neuronas artificiales cada una con 256 conexiones, lo que está claro es que el proceso en paralelo que midió Georgiu ocurre a una escala mucho más grande que esta.

Así que un equivalente de una estructura cognitiva como la del cerebro tal vez no necesite de una arquitectura paralela a nivel de células individuales, en su lugar, como notó Georgiu podría ser construido usando “un bien diseñado set de procesos limitados que corran en paralelo en una escala mucho más pequeña”.

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