Célula cerebral humana artificial proporciona nuevos datos sobre nuestras capacidades únicas

 

Esta réplica digital más avanzada de neuronas humanas revela que los cerebros humanos son únicos, hasta en sus componentes más básicos. Esta simulación, la más realista de las células cerebrales humanas hasta la fecha, está proporcionando nuevos conocimientos sobre nuestras capacidades intelectuales únicas.

El modelo es el primero en integrar características estructurales y funcionales a escala muy fina de las neuronas 'piramidales', el principal generador de circuitos en cerebros de mamíferos, de nuestra arrugada corteza, la neocorteza humana. Estas neuronas digitales exponen las diferencias fundamentales entre los cerebros humano y el del roedor, que ayudan a explicar nuestro pensamiento mejorado y el poder de nuestra memoria.

Encontrar tejido cerebral humano es una de las dificultades que encuentran los científicos para desarrollar su estudio, por lo que la mayoría de los neurocientíficos estudian el cerebro de ratones. Si bien, se ha aprendido mucho sobre cómo funciona el cerebro de los mamíferos a nivel celular y de circuitos, estudiando roedores solos, o cualquier otra especie, estos estudios no pueden cumplir nuestra búsqueda de autocomprensión, por lo que nos hace humanos. Particularmente cuando se trata de nuestra neocorteza.

Las capacidades cognitivas avanzadas del cerebro humano a menudo se atribuyen a esta estructura de más reciente evolución: su icónica superficie plegada. La comparación de cerebros humanos y roedores muestra que la neocorteza humana tiene mil veces más células nerviosas, es 50% más gruesa, posee más conexiones neuronales por célula, y sus principales bloques neuronales (microchips) - neuronas piramidales - son más grandes.

El modelo muestra que las neuronas humanas son fundamentalmente más poderosas en su capacidad para integrar, procesar y almacenar información. Un trabajo experimental anterior había identificado varias diferencias anatómicas y fisiológicas entre las neuronas piramidales en humanos y roedores.

Se pudo conocer, por ejemplo, que las dendritas, la parte de la neurona que recibe entradas de otras células nerviosas, se ramifican más intensamente en los humanos y reciben muchas más sinapsis, alrededor de 30,000, por célula en comparación con las 10,000 de roedores. Las neuronas piramidales humanas también tienen una capacidad específica mucho más baja en comparación con la de los roedores, lo que significa que generan señales eléctricas más fácilmente y las transmiten más rápido y más eficientemente.

El modelo digital detallado para las neuronas piramidales corticales humanas es el primero en integrar estas características anatómicas y fisiológicas distintas, lo que nos permite identificar varias propiedades nuevas de las neuronas humanas, y analizar sus implicaciones funcionales utilizando herramientas informáticas avanzadas. Estas nuevas propiedades reveladas por estos modelos de computadora ayudan a explicar cómo las neuronas piramidales humanas procesan eficientemente su número especialmente grande de entradas sinápticas, ayudadas por su capacidad de membrana inferior y entradas sinápticas más potentes en comparación con las neuronas de los roedores.

Los científicos sostienen que las células corticales humanas tienen propiedades de membrana únicas, con sinapsis excitadoras más eficaces que compensan su árbol dendrítico altamente ramificado y alargado, y fuertes no linealidades dendríticas locales; juntas, estas propiedades aumentan su poder computacional.

En otras palabras, cuando una dendrita recibe múltiples señales simultáneamente, no las agrega simplemente para enviarlas al cuerpo celular, sino que agrega otro paso computacional para señalar la integración dentro de la neurona. Esto sugiere que las neuronas humanas no son solo una versión extendida de las neuronas de los roedores respectivos, sino que son fundamentalmente más poderosas en su capacidad para integrar, procesar y almacenar información.

Una predicción clave que surge del modelo es que la capacidad de almacenamiento de información, o memoria, de las neuronas piramidales humanas es casi cuatro veces mayor que la de las ratas. Esto se debe a que las células humanas no solo tienen alrededor de tres veces más sinapsis que las respectivas células de roedores, sino que también pueden admitir casi el doble del número de "picos dendríticos locales" simultáneos e independientes: las señales de voltaje que permiten que las dentadas transmitan entradas sinápticas al cuerpo celular. Este procesamiento de señal local multisitio en dendritas humanas también ayuda a explicar la capacidad computacional mejorada de estas células.

Sin embargo, los investigadores señalaron que sus modelos todavía se basan en una serie de suposiciones. Necesitan muchos más datos para modelar completamente las neuronas humanas y los circuitos corticales que la forman. Ellos están conscientes de que tendrán que construir un modelo detallado de todo el cerebro humano, incluidos sus diferentes tipos de neuronas, si quieren entender qué nos hace humanos.

El estudio sirve como referencia de referencia para futuros esfuerzos por comprender las neuronas humanas, lo que podría contribuir a mejorar los tratamientos para las enfermedades cerebrales. El modelo también podría ayudar a los investigadores a desarrollar máquinas de aprendizaje inspiradas en el cerebro y desarrollar Inteligencia Artificial.

El estudio ha sido publicado en Frontiers in Cellular Neuroscience.