La excitación y la inhibición: El yin y el yang del cerebro

Artículo original: Excitation and Inhibition: The Yin and Yang of the Brain Joel Frohlich

Traducido por Mariangelina Martínez

Para crear un sistema nervioso funcional solo se ocupan dos fuerzas: la excitación y la inhibición. La señal de excitación que una célula le manda a otra hace que la última tenga más posibilidades de activarse. A su vez, la señal de inhibición hace que la última célula tenga menos posibilidades de activarse. En las sinapsis químicas del cerebro, el glutamato y el GABA (ácido gamma-aminobutírico) son los transmisores de la excitación y la inhibición, respectivamente. Evidentemente, sus nombres no evocan simetría – uno evoca un aliño barato y el otro un grupo de música pop sueco. Sin embargo, el glutamato y el GABA son el yin y el yang del cerebro. La dopamina, la serotonina, la noradrenalina y otras sustancias químicas más reconocidas han ganado su fama como transmisores a pesar de tener efectos más especializados. Pero las sustancias cotidianas del cerebro son indiscutiblemente el glutamato y el GABA. En teoría, un sistema nervioso de sólo un puñado de neuronas y dos transmisores –uno excitatorio y otro inhibitorio- es factible.

El equilibrio entre la excitación e inhibición neural es crítico para la cognición saludable y el comportamiento. Un cerebro que está dominado por el glutamato solamente sería capaz de excitarse a sí mismo por medio de ráfagas repetidas de actividad, similares a un ataque epiléptico. En cambio un cerebro que está dominado por el GABA solo sería capaz de susurrar silenciosamente, con mínima sincronización, que es necesaria para una comunicación relevante entre distintas áreas del cerebro. La actividad cerebral saludable se desarrolla en medio de estos dos extremos, donde existe un equilibrio entre la excitación y la inhibición para generar patrones complejos de actividad. Por lo tanto, un sistema nervioso aparentemente sencillo formado solo con glutamato y GABA es capaz de producir actividad compleja.

Simulation of a Belousov-Zhabotinsky reaction

 

Del mismo modo, una mezcla aparentemente sencilla de sustancias químicas en una placa de Petri puede dar lugar a patrones de reacción química muy complejos, como ondas espirales oscilantes, cuando están presentes una sustancia química que estimula la reacción y otra que la inhibe. Este tipo de reacción general, denominada reacción Belousov-Zhabotinsky, se ha estudiado incluso como modelo de cómo las redes neuronales procesan la información, ya que la complejidad de la reacción se rige por principios similares.

Dado que se cree que patrones complejos de actividad cerebral subyacen al comportamiento y a la cognición flexibles, la relación entre la excitación y la inhibición -denominada equilibrio E/I – se reconoce cada vez más como una medida crucial para evaluar la capacidad de cualquier cerebro. La esquizofrenia por ejemplo ha sido asociada con una relación E/I baja causada por una actividad débil de los receptores de glutamato. El autismo, por otra parte, se ha asociado a una elevada relación E/I causada por receptores GABA débilmente activos. La excitación o inhibición aún más excesivas pueden dar lugar a crisis epilépticas o a un coma cerebral, respectivamente. De hecho, los individuos con autismo tienen una mayor probabilidad de sufrir epilepsia – una condición que causa convulsiones – en comparación con una persona promedio, sugiriendo que aquellos con autismo y epilepsia están sujetos a un alta relación de E/I.

¿Cómo funciona la sinergia entre la excitación y la inhibición?  Tanto la excitación como la inhibición cuando funcionan solas dirigen al cerebro hacia patrones definidos de actividad relativamente simples. El equilibrio entre las dos crea un estado crítico, como la barrera entre un gas y un líquido. Fuera del cerebro, muchos estados críticos son inestables, como un lápiz que está equilibrado verticalmente sobre su punta pero que se cae tras cualquier cambio de posición. Sin embargo, sorprendentemente, los estados críticos del cerebro suelen mantenerse por sí mismos y son resistentes a nuevos cambios. Por ejemplo, después de que una entrada sináptica a una red neuronal haya generado un estado crítico, una entrada sináptica adicional mantiene el estado crítico en lugar de empujar la red hacia un patrón de actividad sencillo y estable. Por esta razón, este fenómeno se llama criticalidad autoorganizada, un término para el concepto desarrollado por los físicos Per Bak, Chao Tang y Kurt Wiesenfeld del laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York.

Se cree que la criticalidad autoorganizada es importante para la función cerebral porque le permite al cerebro un cierto grado de flexibilidad. Al igual que una sustancia crítica puede cambiar con flexibilidad entre un estado gaseoso y uno líquido, la criticalidad autoorganizada podría permitirle al cerebro pasear por muchos estados de actividad diferentes. Dondequiera que se observe la criticalidad autoorganizada en la naturaleza, parece producir una actividad compleja a través de muchas escalas temporales y espaciales como resultado de un proceso lento que acumula energía y un proceso rápido que la disipa.

…al igual que muchas prácticas espirituales abogan por mantener un «equilibrio interior», un equilibrio físico entre fuerzas opuestas parece ser fundamental para mantener un cerebro sano.  

Para entender mejor la criticalidad autoorganizada, Bak y sus colegas se imaginaron una actividad sencilla: amontonar arena en la playa. El montón de arena crece hasta que su pendiente alcanza una determinada inclinación que da lugar a un estado crítico. La adición de más arena provoca entonces avalanchas de tamaños que van desde unos pocos granos hasta porciones considerables de la pila misma. De hecho, el estado crítico persiste incluso cuando se le sigue agregando arena a la pila- está verdaderamente autoorganizada.

Los dos procesos que compiten en este ejemplo son el proceso lento de la adición de arena, que acumula energía, y el proceso rápido resultante de la fuerza de la gravedad que supera la fuerza de la fricción, y que disipa energía. Tal vez este ejemplo se sienta muy ajeno al cerebro. Pero el lento proceso de añadir arena es, de hecho, análogo al de añadir una entrada sináptica excitatoria en una red neuronal. Del mismo modo, el rápido proceso de la gravedad superando la fricción es análogo a la excitación neuronal que supera la inhibición neuronal y desencadena ráfagas de potenciales de acción: avalanchas neuronales. Las avalanchas de arena siguen el mismo patrón observado en los registros eléctricos del cerebro: se observa actividad en todas las escalas y frecuencias, resultado de un delicado equilibrio E/I.

Dado que la actividad eléctrica del cerebro puede observarse fácilmente mediante la colocación de electrodos en el cuero cabelludo (electroencefalografía), los investigadores y los médicos pueden inferir el equilibrio E/I sin necesidad de examinar directamente las células del cerebro. Por ejemplo, las descargas epileptiformes – ráfagas de excitación disruptiva – son señales claras de una alta relación E/I. Estas descargas pueden indicar que el cerebro ha pasado de un estado crítico a un estado supercrítico. Aunque tradicionalmente se han asociado con la epilepsia, las descargas epileptiformes también pueden aparecer en los electroencefalogramas de pacientes que nunca han tenido una convulsión. El concepto emergente de «los trastornos del espectro epiléptico» pretende enmarcar a las enfermedades mentales, como el trastorno de pánico, en el mismo contexto que la epilepsia. El Dr. Nash N. Boutros, de la Universidad de Missouri, en Kansas City, está estudiando las descargas epileptiformes en pacientes con ataques de pánico como posibles indicadores de la misma relación E/I elevada que causa la epilepsia. Si los trastornos de pánico y la epilepsia comparten una causa común, los dos tal vez puedan ser tratables con medicamentos antiepilépticos. Aunque estos fármacos suelen tratar las convulsiones, se cree que disminuyen la excitabilidad neuronal y también han sido aprobados por la FDA (la administración de alimentos y medicamentos estadounidense) para tratar el trastorno bipolar, un trastorno psiquiátrico en el que los pacientes experimentan estados de ánimo tanto elevados como reducidos.

De hecho, podemos alterar las pilas de arena para simular estados enfermos donde no hay equilibrio entre la excitación y la inhibición. Imaginemos que construimos una pila de bolitas de vidrio en lugar de granos de arena. Las bolitas lisas no se adhieren bien, y la frágil pila se derrumba como una torre de «Jenga» (el juego de apilar bloques) una vez que alcanza un peso crítico, sin lograr nunca una verdadera criticalidad autoorganizada. Esto es comparable al estado de excitación neuronal excesiva: la inhibición sináptica es demasiado débil para detener las tormentas de ráfagas excitatorias que interrumpen la señalización compleja y producen las convulsiones. Por el contrario, imaginemos que construimos una pila de arena utilizando arena húmeda. Esta es pegajosa, lo que da como resultado pocas avalanchas ya que la cohesión entre los granos es muy grande. Esto es comparable a un estado de inhibición neuronal excesiva: un impulso excitatorio no puede superar el asfixiante apretón de la inhibición sináptica, obstaculizando los cómputos neuronales que dependen de la señalización compleja.

En un futuro no muy lejano, las medicinas que modifican la excitabilidad neuronal quizás resulten prometedoras en encauzar a un cerebro enfermo hacia el equilibrio E/I. De hecho, al igual que muchas prácticas espirituales abogan por mantener un «equilibrio interior», un equilibrio físico entre fuerzas opuestas parece ser fundamental para mantener un cerebro sano. La sinergia entre las fuerzas opuestas observadas en el cerebro nos recuerda que la complejidad requiere un equilibrio. Las pruebas empíricas han demostrado que ni el tamaño del cerebro ni la masa cerebral son las mejores medidas de la capacidad cerebral, pero quizás el equilibrio E/I pueda acceder a ese título. Algún día, pueda que una visita al médico no solo consista en tomar el pulso, la estatura y el peso sino también un electroencefalograma para medir la relación de E/I.

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Escrito por Joel Frohlich 
Traducido por Mariangelina Martínez
Imágenes de Kayleen Schreiber 

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Este artículo también apareció en Psychology Today.

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References:

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Buzsaki, Gyorgy. Rhythms of the Brain. Oxford University Press, 2006.

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Autor

Joel Frohlich

Joel Frohlich es un investigador postdoctoral que está estudiando la consciencia en el laboratorio de Martin Monti en UCLA. Él está interesado en el uso de la actividad cerebral registrada con la electroencefalografía para inferir cuando una persona está consciente. Joel obtuvo su doctorado en UCLA en el 2018 estudiando los marcadores electroencefalográficos de los trastornos del desarrollo neurológico en el laboratorio de Shafali Jeste.  También puede consultar el blog de Joel llamado «Conciencia, Auto-organización y Neurociencia» en Psychology Today.  Para obtener más información sobre la investigación y los ensayos de Joel, visite el sitio web de Joel en joelfrohlich.com.

Traductor

Mariangelina Martínez

Joel Frohlich

Joel Frohlich is a postdoc studying consciousness in the lab of Martin Monti at UCLA. He is interested in using brain activity recorded with EEG to infer when a person is conscious. Joel earned his PhD from UCLA in 2018 studying EEG markers of neurodevelopmental disorders in the lab of Shafali Jeste. You can also check out Joel's blog Consciousness, Self-Organization, and Neuroscience on Psychology Today. For more about Joel's research and writing, please visit Joel's website at joelfrohlich.com.

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