Resumen: Una nueva investigación muestra que cambiar entre acciones no es simplemente detenerse y comenzar de nuevo, sino un mecanismo cerebral único que suprime la acción anterior para iniciar una nueva. Utilizando modelos computacionales, tareas de comportamiento y datos clínicos de pacientes de Parkinson, los investigadores descubrieron que la detención y el cambio son distintos procesos motores cognitivos.
Esta idea podría mejorar los tratamientos para trastornos neurológicos como Parkinson e inspirar diseños biológicamente impulsados para sistemas autónomos. Los hallazgos resaltan la complejidad y precisión de cómo el cerebro humano se adapta rápidamente al cambio.
Hechos clave:
- Cambio frente a detener: El cambio de acciones es un proceso separado de la detención, suprimiendo activamente los movimientos anteriores.
- Las ideas de Parkinson: El estudio de los pacientes de Parkinson durante la estimulación cerebral profunda revela la actividad cerebral clave relacionada con el cambio.
- Aplicaciones futuras: Comprender la regulación de la acción podría mejorar las terapias e inspirar nuevas tecnologías de robótica.
Fuente: USC
La nueva investigación de la USC ofrece una visión invisible de cómo el cerebro cambia de marcha. Los investigadores descubrieron que nuestra capacidad innata para hacer cambios rápidos en la función motora es el resultado de un mecanismo cerebral único.
En el mundo de alto riesgo de la NBA, observamos con asombro mientras nuestro jugador favorito cambia sin problemas se mueve en un abrir y cerrar de ojos. Se defiende repentinamente una bandeja perfecta. El tirador cambia el curso en el aire, pasando a un compañero de equipo abierto para una esquina tres.
Los humanos tienen una habilidad notable para cambiar rápidamente entre diferentes acciones motoras cuando la vida nos arroja una bola curva. Llegas para abrir una puerta, pero de repente ves que debes empujar para salir. En el tráfico, debe pensar rápidamente para cambiar de acelerar a evadir o frenenar para evitar un obstáculo.
La función cerebral que nos ayuda a cambiar el curso ha sido objeto de un amplio debate científico, con la pregunta clave si la función que usa el cerebro para ayudarnos a cambiar de marcha es la misma que usa para detener nuestro movimiento.
Un nuevo estudio del Departamento de Ingeniería Biomédica Alfred E. Mann de la USC ha aprovechado un modelo matemático complejo para revelar que este interruptor no es una extensión de la parada, sino una acción única que suprime activamente el anterior, lo que permite una transición perfecta al nuevo objetivo.
El equipo de investigación también ha estado observando a los pacientes de Parkinson que juegan tareas simples de videojuegos para estudiar el mecanismo en acción.
La investigación ha sido publicada en la revista PLOS Biología computacionalarrojar nueva luz sobre cómo nuestros cerebros seleccionan, se detienen y cambian entre acciones.
El autor principal Vasileios Christopoulos, profesor asistente de ingeniería biomédica, dijo que si bien cambiar el curso puede parecer un proceso innato para los humanos, la complejidad de cómo esto se desencadena en el cerebro ha sido un misterio.
“Tradicionalmente, los psicólogos creen que cambiar es una extensión de detenerse. Es lo que llamamos ‘ir, detener, ir’. Ve.
“Sin embargo, creemos que, especialmente cuando tienes que realizar algo realmente rápido, tu cerebro no hace eso. En cambio, la nueva acción suprime tu acción actual sin usar otro mecanismo para inhibirlo. La detención y el cambio son dos procesos de motor cognitivo diferentes”.
Christopoulos dijo que la función era fundamental para comprender desde una perspectiva científica, dado que los humanos cambian y regulan sus acciones en cada momento del día.
“Desde una perspectiva clínica, si entendemos cómo el cerebro regula las acciones, y si entendemos cómo el Parkinson afecta estos mecanismos, podemos crear mejores tratamientos clínicos para los pacientes”, dijo Christopoulos.
“También está la perspectiva de ingeniería. Si podemos crear un modelo del cerebro que genera acciones, entonces podemos crear sistemas robóticos de inspiración biológica, como automóviles autónomos, en función de la forma en que el cerebro realmente regula estas acciones”.
Para validar su hipótesis sobre cómo las acciones del cerebro cambia, el equipo de investigación utilizó un enfoque triple.
En primer lugar, construyeron un modelo computacional del cerebro, que tenía como objetivo simular cómo el cerebro decide qué acción realizar, cómo inhibe una acción continua y cómo inicia una nueva acción cuando el contexto cambia.
Luego usaron participantes humanos para realizar tareas que involucraban a los movimientos de alcance, detención y cambio.
El equipo comparó el comportamiento motor de los participantes con los patrones motores simulados generados por el modelo.
Finalmente, el equipo ha estado trabajando con los pacientes de Parkinson en Cedars Sinai y el Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas para ver el mecanismo en acción a través de la actividad cerebral registrada de los pacientes.
El coautor de Christopoulos en el periódico es el presidente del departamento de neurocirugía en el Centro Médico Southwestern de UT, Nader Pouratian. Shan Zhong, un investigador postdoctoral en el departamento de Alfred E. Mann, desarrolló los modelos computacionales y adquirió y analizó los datos de comportamiento para el estudio.
Esta nueva visión de uno de los aspectos fundamentales del control motor humano podría ser un desarrollo esencial para los 90,000 estadounidenses diagnosticados con la enfermedad de Parkinson cada año.
Los pacientes de Parkinson se ocupan de tiempos de reacción y retrasos más largos cuando quieren iniciar el movimiento, en comparación con aquellos de nosotros que no vivimos con trastornos neurológicos complejos.
Este grupo de pacientes fue de interés para el equipo de investigación de USC Viterbi porque su tratamiento implica una estimulación cerebral profunda de las regiones subcorticales que controlan la función motora, una oportunidad principal para registrar la actividad cerebral para comprender mejor los procesos complejos de regulación motora en esta región.
Christopoulos dijo que cuando los pacientes en los grupos de prueba se someten al procedimiento de estimulación cerebral profunda, el cirujano accede a esta región a través de un agujero de rebabas, insertando un electrodo largo que simultáneamente permite monitorear la actividad cerebral mientras están despiertos durante el tratamiento. El procedimiento tiene como objetivo tratar los temblores relacionados con Parkinson al estimular el núcleo subtalámico o la región STN, que Christopoulos describió como el sistema de frenado natural del cerebro, un componente crucial del mecanismo de cambio de cambios.
“Así es como nuestro cerebro detiene nuestras acciones. Por ejemplo, todos hemos experimentado esa sensación cuando se congelas porque estás asustado o sorprendido”, dijo Christopoulos.
“Lo que sucede con esta área del cerebro donde te asustan es que envía una señal al cerebro para detener de inmediato lo que esté haciendo. Para los pacientes de Parkinson, esta área es hiperactiva y crea un temblor y bradicinesia (movimiento lento)”.
“Los pacientes están despiertos y se les dan un joystick. Les mostramos la pantalla, y les mostramos tareas que implican alcanzar objetivos, detener una acción y cambiar una acción de un objetivo a otro”, dijo Christopoulos.
“Entonces, el siguiente paso es tomar estos datos de los neurocirujanos y analizarlos. Vamos a ver cuán similares son las predicciones de nuestro modelo simulado a lo que realmente sucede en el cerebro”.
Christopoulos dijo que el trabajo tenía valor clínico adicional. Monitorear cómo los pacientes de Parkinson funcionan mientras están bajo estimulación cerebral profunda y cómo el tratamiento afecta al cerebro podría ayudar a los médicos a evitar efectos secundarios indebidos y mejorar los tratamientos para los pacientes.
Al aprovechar su modelo computacional respaldado por experimentos cuidadosamente diseñados, Christopoulos y su equipo continúan desentrañando los intrincados mecanismos neuronales que sustentan nuestras funciones cognitivas más esenciales, allanando el camino para nuevos descubrimientos y aplicaciones.
Fondos: La investigación fue apoyada por un premio NIH U01 titulado “Modelado y mapeo de redes de regulación de acción humana”.
Sobre estas noticias de investigación de neurociencia
Autor: Amy Blumenthal
Fuente: USC
Contacto: Amy Blumenthal – USC
Imagen: La imagen se acredita a Neurocience News
Investigación original: Acceso abierto.
“Mecanismo computacional subyacente de las acciones del motor“Por Vasileios Christopoulos et al. PLOS Biología computacional
Abstracto
Mecanismo computacional subyacente de las acciones del motor
La supervivencia de las especies en un entorno en constante cambio requiere una flexibilidad que se extiende más allá de simplemente seleccionar las acciones más apropiadas. También implica la preparación para detener o cambiar las acciones en respuesta a los cambios ambientales.
Aunque se ha dedicado una investigación considerable a comprender cómo las acciones del cerebro cambian, los cálculos subyacentes al proceso de conmutación y cómo se relaciona con los procesos de selección y detención siguen siendo difíciles de alcanzar.
Una teoría normativa sugiere que el cambio es simplemente una extensión del proceso de detención, durante el cual una acción actual se inhibe primero por un mecanismo de pausa independiente antes de generar una nueva acción.
Esta teoría fue desafiada por la hipótesis de la competencia de capacidad, según la cual el proceso de cambio se implementa a través de una competencia entre las acciones actuales y nuevas, sin involucrar un mecanismo de pausa independiente.
Para delinear los cálculos subyacentes a estas funciones de regulación de acción, utilizamos una teoría de neurocomputacional que modela el proceso de selección, detención y cambio de movimientos de alcance.
Probamos las predicciones del modelo en individuos sanos que realizaron alcance en entornos dinámicos e inciertos que a menudo requerían acciones de detención y cambio.
Nuestros hallazgos sugieren que, a diferencia del proceso de detención, el cambio no requiere un mecanismo de pausa proactivo para retrasar el inicio del movimiento.
Por lo tanto, los procesos de conmutación y detención parecen ser implementados por diferentes mecanismos en la fase de planificación del movimiento de alcance.
Sin embargo, una vez que se ha iniciado el movimiento de alcance, el proceso de conmutación parece involucrar un mecanismo de pausa independiente si la nueva ubicación objetivo es desconocida antes del inicio del movimiento.
Estos hallazgos ofrecen una nueva comprensión de los cálculos subyacentes al cambio de acción, contribuyen valiosas ideas sobre los mecanismos neurocientíficos fundamentales de la regulación de la acción y abren nuevas vías para futuras investigaciones neurofisiológicas.
