13 diciembre 2014

Revelan descubrimiento fundamental sobre las neuronas corticales

12 de diciembre 2014 
La funcionalidad de las neurona inhibitorias no es una propiedad inmutable de las células corticales, sino una consecuencia de la dinámica de redes más complejas. Los dos tipos principales de neuronas en la corteza cerebral del cerebro están conectados por circuitos corticales intrincados que procesan la información. Las neuronas excitadoras, que comprenden 80 por ciento de todas las neuronas en esta región, aumentan la actividad en las células diana. El otro 20 por ciento de las neuronas son inhibitorias, produciendo el efecto contrario. Las neuronas inhibitorias (interneuronas) han sido reconocidas como fundamentales para la comprensión de los distintos tipos de procesamiento de la información. Ciertos subtipos específicos de interneuronas pueden regular la ganancia de la respuesta (el grado de reacción a los estímulos) en las neuronas excitatorias, o la selectividad del tipo de respuesta en las células diana. En un nuevo estudio del 11 de diciembre aparecido en Nature Communications, Sami El-Boustani y Mriganka Sur del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria sugieren la hipótesis de que un tipo particular de interneurona puede influir en las respuestas de una manera que es dependiente del contexto. 
La aritmética controla la respuesta
Las neuronas inhibidoras de la corteza visual usan la división y la resta para el control de los cálculos realizados por sus células diana. Varios estudios previos sugirieron que una de las clases bien definidas de interneuronas, las que expresan la parvalbúmina (PV +), regulan la ganancia de respuesta a través de la inhibición por división, mientras que el otro grupo importante, las células de la somatostatina positivas (SOM +), controlan la selectividad en la espuesta a través de la inhibición sustractiva. La inhibición por división puede ocurrir durante una serie de funciones, entre ellas la atención dirigida visual, la orientación, la integración multisensorial, y la estimación de valor. La inhibición sustractiva se cree que agudiza la selectividad neuronal, posiblemente aumentando la capacidad de discriminación y, por tanto, tal vez la mejora del rendimiento del comportamiento. Con base en los hallazgos de investigaciones anteriores, estas funciones se pensaba que eran propiedades nativas de estos tipos de células, con base en la estructura, las conexiones y la biofísica. 
Técnicas innovadoras producen nuevos hallazgos
Estudios más recientes, incluyendo un examen en profundidad de El-Boustani y Sur, indican que las células SOM + en particular, son un componente clave de los mecanismos subyacentes que determinan la funcionalidad. Con el fin de evocar diferentes dinámicas de respuesta en las interneuronas e investigar la naturaleza de la inhibición, los neurocientíficos del Instituto Picower emplearon "una combinación innovadora de nuevos estímulos visuales, como la precisa estimulación optogenética de un solo pulso, y la grabación a gran escala a través de imágenes de calcio de dos fotones de las respuestas de las neuronas diana en ratones ", Utilizando brevemente destellos de estímulos visuales y pulsos cortos, en lugar de activación optogenética prolongada, los investigadores fueron capaces de definir los tiempos de respuesta de las neuronas PV + y SOM + en comparación con sus células diana, así como aislar el efecto inhibidor de estos dos tipos de neuronas. La imagen muestra las neuronas de la corteza visual primaria de un ratón despierto.
The image shows neurons from the primary visual cortex of an awake mouse.

El-Boustani, un becario postdoctoral en el laboratorio del profesor Sur, que dirigió el estudio, fue capaz de demostrar que las neuronas SOM + pueden realizar ya sea la inhibición por división y regular la ganancia de respuesta o la inhibición por sustracción y controlar la selectividad de la respuesta. Él encontró que cuando la estimulación activa las interneuronas SOM + al mismo tiempo que sus células diana, como es el caso cuando se sondeó con grandes estímulos visuales, las respuestas se dividen. Cuando la activación de las células diana se produce en otro momento - antes de responder a pequeños estímulos visuales - las SOM + restan respuestas. "Así que la funcionalidad neuronal es dinámica; se rige por el disparo de la coordinación y la superposición de tiempos de respuesta en los circuitos y sus células diana ", explica El-Boustani. La habilidad de los científicos del MIT para demostrar conmutación dependiente de la respuesta dramática y distinta en el cerebro vivo sugiere que la funcionalidad interneuronal no es una propiedad inmutable de cada tipo de células, sino una consecuencia de la dinámica más complejas dentro de las redes corticales. Las neuronas inhibitorias corticales no sólo median el procesamiento de la información sino que también juegan un papel fundamental en los trastornos cerebrales como el autismo, la esquizofrenia y la epilepsia. Este descubrimiento aporta importantes conocimientos para mejorar la comprensión de la funcionalidad normal y anormal del cerebro.
Traducido de http://neurosciencenews.com/cortical-interneurons-electrophysiology-1620/
About this electrophysiology research
Contact: Najat Kessler – MIT
Source: MIT press release
Image Source: The image is credited to Sami Elboustani and is adapted from the MIT press release
Original Research: Full open access research for “Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo” by Sami El-Boustani and Mriganka Sur in Nature Communications. Published online December 11 2014 doi:10.1038/ncomms6689
Open Access Neuroscience Abstract
Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo
In the visual cortex, inhibitory neurons alter the computations performed by target cells via combination of two fundamental operations, division and subtraction. The origins of these operations have been variously ascribed to differences in neuron classes, synapse location or receptor conductances. Here, by utilizing specific visual stimuli and single optogenetic probe pulses, we show that the function of ​parvalbumin-expressing and ​somatostatin-expressing neurons in mice in vivo is governed by the overlap of response timing between these neurons and their targets. In particular, ​somatostatin-expressing neurons respond at longer latencies to small visual stimuli compared with their target neurons and provide subtractive inhibition. With large visual stimuli, however, they respond at short latencies coincident with their target cells and switch to provide divisive inhibition. These results indicate that inhibition mediated by these neurons is a dynamic property of cortical circuits rather than an immutable property of neuronal classes.
“Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo” by Sami El-Boustani and Mriganka Sur in Nature Communications doi:10.1038/ncomms6689.

07 diciembre 2014

Entonces ¿el dolor físico y el dolor social utilizan o no los mismos circuitos neurales?

Social Pain, Physical Pain: Different After All?

En un artículo recientemente publicado, un grupo de neurocientíficos informan de que han cambiado de opinión acerca de cómo el cerebro procesa el dolor social. Aquí está el artículo: Separate neural representations for physical pain and social rejection

Los autores son Choong-Wan Woo y sus colegas de la Universidad de Colorado, Boulder
Woo et al. dicen que, en base a un nuevo análisis de los datos de exploración de resonancia magnética funcional del cerebro, han encontrado evidencia inconsistente con la teoría popular de que el cerebro responde al "dolor" de rechazo social utilizando los mismos circuitos que codifica el dolor físico. Más bien, parece que a pesar de que los dos tipos de dolor se involucran en términos generales en las mismas áreas, lo hacen de maneras muy diferentes.

Curiosamente, hace tres años, este mismo grupo de investigadores argumentó que el dolor social y dolor físico se procesan de la misma forma por el cerebro. Eso fue en 2011 con su trabajo muy citado en PNAS:
Social rejection shares somatosensory representations with physical pain. Woo no contribuyó en el nuevo trabajo, pero tanto el anterior primer autor, Kross, como el viejo autor principal, Wager, son autores sobre en el nuevo trabajo.
By Neuroskeptic | December 7, 2014 5:48 am
In a paper just published, a group of neuroscientists report that they’ve changed their minds about how the brain processes social pain. Here’s the paper: Separate neural representations for physical pain and social rejection

The authors are Choong-Wan Woo and colleagues of the University of Colorado, Boulder. Woo et al. say that, based on a new analysis of fMRI brain scanning data, they’ve found evidence inconsistent with the popular theory that the brain responds to the ‘pain’ of social rejection using the same circuitry that encodes physical pain. Rather, it seems that although the two kinds of pain do engage broadly the same areas, they do so in very different ways.
Interestingly, three years ago this same group of researchers argued that social pain and physical pain are processed in the same way by the brain. That was back in 2011 with their highly-cited paper in PNAS: Social rejection shares somatosensory representations with physical pain. Woo didn’t contribute to that paper, but both the old first author, Kross, and the old senior author, Wager, are authors on the new paper.
In fact, the new paper is more or less just a reanalysis of the same fMRI data from the 2011 article, but using different statistical techniques. Here’s how Woo et al. describe their new approach:
Claims about shared representation in the previous studies have been based on findings of overlapping univariate fMRI activity between pain and rejection, which is not anatomically specific enough to bear on the question of whether the underlying neural representations are similar.
Here we used a more fine-grained analysis technique (MVPA) to demonstrate that the overlapping activity arises from distinct neural representations. MVPA is more likely to reflect population codes across neurons…
We demonstrate that multivariate patterns encoding the intensity of pain and rejection are separately modifiable by showing that pain and rejection each influenced distinct, uncorrelated fMRI patterns at the whole-brain level and within ‘pain-processing’ regions… [this] strongly implies the existence of distinct, non-shared neural representations for pain and rejection.
The image below shows the key finding: while both physical pain and rejection activated the same brain areas (S2, dACC etc.), Woo et al. report that the two kinds of stimuli evoke different patterns of activity within those areas.
pain_rejection
The authors further show that these different patterns of activity are each associated with an entirely different pattern of connectivity across other brain areas, which I think helps to counter a potential concern about the interpretation of MVPA.
As we’ve seen, this is all a bit of a volte face. The authors discuss their previous claims as follows:
We reported overlapping fMRI activity across pain and rejection within many pain-processing regions, based on univariate analyses. We interpreted these findings in terms of shared representations between pain and rejection. The co-localized representations may still point to important interactions between pain and rejection. However, the current findings at the multivariate pattern level suggest that the representations of pain and rejection are in fact distinct within and across regions.
Woo et al. have shown commendable scientific integrity in being willing to change their minds and update their theory based on new evidence. That sets an excellent example for researchers. But perhaps we should now also credit those who anticipated this: such as the Neurocritic blog in 2012:
Social Pain and Physical Pain Are Not Interchangeable
… Your anterior insula and anterior cingulate cortex might be very busy in both cases, but they’re also activated in many different situations (Yarkoni et al, 2011) … Sure, the affective components of pain might show some overlap with physical pain (Kross et al., 2011), but distinct networks are likely responsible for the unique aspects of these different qualia.
ResearchBlogging.orgWoo CW, Koban L, Kross E, Lindquist MA, Banich MT, Ruzic L, Andrews-Hanna JR, & Wager TD (2014). Separate neural representations for physical pain and social rejection. Nature communications, 5 PMID: 25400102