Primera evidencia de reproducción durante el sueño en la corteza motora humana, que gobierna el movimiento voluntario

Resumen: Los datos recopilados de un hombre tetrapléjico que aprendió un BCI para jugar a Simon mostraron que el cerebro reproduce la información aprendida durante el sueño.

Fuente: misa general

¿Por qué dormimos? Los científicos han debatido esta pregunta durante milenios, pero un nuevo estudio realizado por investigadores del Hospital General de Massachusetts (MGH), realizado en colaboración con colegas de la Universidad de Brown, el Departamento de Asuntos de Veteranos y varias otras instituciones, agrega nuevas pistas para resolver este misterio.

Sus hallazgos, publicados en el Revista de neurocienciapuede ayudar a explicar cómo los humanos forman recuerdos y aprenden, y eventualmente podría ayudar al desarrollo de herramientas de asistencia para las personas afectadas por enfermedades o lesiones neurológicas.

Los científicos que estudian animales de laboratorio descubrieron hace mucho tiempo un fenómeno conocido como “repetición” que ocurre durante el sueño, explica el neurólogo Daniel Rubin, MD, Ph.D., del Centro MGH de Neurotecnología y Neurorecuperación, autor principal del estudio.

Se teoriza que la repetición es una estrategia que el cerebro usa para recordar nueva información. Si se entrena a un ratón para que encuentre su camino a través de un laberinto, los dispositivos de monitoreo pueden mostrar que un patrón específico de células cerebrales, o neuronas, se iluminará a medida que atraviesa la ruta correcta.

“Luego, más tarde, mientras el animal duerme, puedes ver que esas neuronas se dispararán nuevamente en el mismo orden”, dice Rubin. Los científicos creen que esta repetición del disparo neuronal durante el sueño es la forma en que el cerebro practica la información recién aprendida, lo que permite consolidar una memoria, es decir, convertir una memoria a corto plazo en una a largo plazo.

Sin embargo, la reproducción solo se ha demostrado de manera convincente en animales de laboratorio.

“Ha habido una pregunta abierta en la comunidad de la neurociencia: ¿Hasta qué punto este modelo de cómo aprendemos cosas es cierto en humanos? ¿Y es cierto para diferentes tipos de aprendizaje?” pregunta el neurólogo Sydney S. Cash, MD, Ph.D., codirector del Centro de Neurotecnología y Neurorecuperación del MGH y coautor principal del estudio.

Es importante, dice Cash, que comprender si la reproducción ocurre con el aprendizaje de habilidades motoras podría ayudar a guiar el desarrollo de nuevas terapias y herramientas para personas con enfermedades y lesiones neurológicas.

Para estudiar si la reproducción ocurre en la corteza motora humana, la región del cerebro que gobierna el movimiento, Rubin, Cash y sus colegas reclutaron a un hombre de 36 años con tetraplejia (también llamada cuadriplejia), lo que significa que no puede mover su parte superior e inferior. miembros inferiores, en su caso por una lesión medular.

El hombre, identificado en el estudio como T11, participa en un ensayo clínico de un dispositivo de interfaz cerebro-computadora que le permite usar un cursor de computadora y un teclado en una pantalla.

El dispositivo de investigación está siendo desarrollado por el consorcio BrainGate, un esfuerzo de colaboración que involucra a médicos, neurocientíficos e ingenieros en varias instituciones con el objetivo de crear tecnologías para restaurar la comunicación, la movilidad y la independencia de las personas con enfermedades neurológicas, lesiones o pérdida de extremidades. El consorcio está dirigido por Leigh R. Hochberg, MD, Ph.D., de MGH, Brown University y el Departamento de Asuntos de Veteranos.

Crédito: Misa General

En el estudio, se le pidió a T11 que realizara una tarea de memoria similar al juego electrónico Simon, en el que un jugador observa un patrón de luces de colores intermitentes, luego tiene que recordar y reproducir esa secuencia. Controló el cursor en la pantalla de la computadora simplemente pensando en el movimiento de su propia mano.

Los sensores implantados en la corteza motora de T11 midieron los patrones de activación neuronal, que reflejaban el movimiento previsto de su mano, lo que le permitía mover el cursor por la pantalla y hacer clic en las ubicaciones deseadas. Estas señales cerebrales se registraron y se transmitieron de forma inalámbrica a una computadora.

Esa noche, mientras T11 dormía en casa, se registró la actividad en su corteza motora y se transmitió de forma inalámbrica a una computadora.

“Lo que encontramos fue bastante increíble”, dice Rubin. “Básicamente estaba jugando el juego durante la noche mientras dormía”.

En varias ocasiones, dice Rubin, los patrones de disparo neuronal de T11 durante el sueño coincidieron exactamente con los patrones que ocurrieron mientras realizaba el juego de combinación de memoria ese mismo día.

“Esta es la evidencia más directa de reproducción de la corteza motora que se haya visto durante el sueño en humanos”, dice Rubin.

Los científicos que estudiaban animales de laboratorio descubrieron hace mucho tiempo un fenómeno conocido como “repetición” que ocurre durante el sueño. La imagen es de dominio público

La mayor parte de la reproducción detectada en el estudio ocurrió durante el sueño de ondas lentas, una fase de sueño profundo. Curiosamente, era mucho menos probable que se detectara la repetición mientras T11 estaba en el sueño REM, la fase más comúnmente asociada con los sueños. Rubin y Cash ven este trabajo como una base para aprender más sobre la reproducción y su papel en el aprendizaje y la memoria en humanos.

“Nuestra esperanza es que podamos aprovechar esta información para ayudar a construir mejores interfaces cerebro-computadora y generar paradigmas que ayuden a las personas a aprender de manera más rápida y eficiente para recuperar el control después de una lesión”, dice Cash, señalando la importancia de mover este línea de investigación de animales a sujetos humanos.

“Este tipo de investigación se beneficia enormemente de la estrecha interacción que tenemos con nuestros participantes”, agrega, con gratitud a T11 y otros participantes en el ensayo clínico BrainGate.

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Hochberg está de acuerdo. “Nuestros increíbles participantes de BrainGate no solo brindan comentarios útiles para la creación de un sistema para restaurar la comunicación y la movilidad, sino que también nos brindan la rara oportunidad de avanzar en la neurociencia humana fundamental: comprender cómo funciona el cerebro humano a nivel de los circuitos del individuo. neuronas”, dice, “y usar esa información para construir neurotecnologías restaurativas de próxima generación”.

Acerca de esta noticia de investigación sobre el sueño y el aprendizaje

Autor: Oficina de prensa
Fuente: misa general
Contacto: Oficina de Prensa – Misa General
Imagen: La imagen es de dominio público.

Investigacion original: Acceso cerrado.
Los patrones motores aprendidos se reproducen en la corteza motora humana durante el sueño” by Daniel B. Rubin et al. Revista de neurociencia


Resumen

Los patrones motores aprendidos se reproducen en la corteza motora humana durante el sueño

Se cree que la consolidación de la memoria implica la repetición fuera de línea de la actividad neuronal. Si bien se ha demostrado ampliamente en roedores, la evidencia de reproducción en humanos, particularmente en lo que respecta a la memoria motora, es menos convincente.

Para determinar si la reproducción ocurre después del aprendizaje motor, buscamos registrar desde la corteza motora durante una tarea motora novedosa y el sueño nocturno posterior. Un hombre de 36 años con tetraplejía secundaria a una lesión de la médula espinal cervical inscrito en el ensayo clínico piloto de interfaz cerebro-computadora BrainGate en curso tenía dos conjuntos de microelectrodos intracorticales de 96 canales colocados crónicamente en la circunvolución precentral izquierda.

Se registró la actividad de una y varias unidades mientras jugaba un juego de memoria de combinación de secuencias de colores y sonidos. Los movimientos previstos se descodificaron a partir de la actividad neuronal cortical motora mediante un filtro Kalman de estado estacionario en tiempo real que permitió al participante controlar un cursor accionado neuralmente en la pantalla. La actividad neuronal intracortical de la circunvolución precentral y el EEG del cuero cabelludo de 2 derivaciones se registraron durante la noche mientras dormía.

Cuando se decodificaron utilizando los mismos parámetros de filtro de Kalman de estado estable, las señales neuronales intracorticales registradas durante la noche reprodujeron la secuencia objetivo del juego de memoria a intervalos a lo largo de una frecuencia significativamente mayor que la esperada por casualidad. Los eventos de reproducción ocurrieron a velocidades que oscilaron entre 1 y 4 veces más rápido que la ejecución de la tarea inicial y se observaron con mayor frecuencia durante el sueño de onda lenta.

Estos resultados demuestran que la adquisición reciente de habilidades visomotoras en humanos puede estar acompañada por la repetición de la actividad neuronal de la corteza motora correspondiente durante el sueño.

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