Els ritmes cerebrals revelen com els circuits neuronals encaminen la informació de manera flexible

• L’estudi, publicat a PLoS Computational Biology, mostra que l’equilibri entre la inhibició feedforward i feedback determina la direccionalitat de les interaccions entre els ritmes cerebrals theta i gamma, i permet encaminar la informació de manera flexible a través dels circuits neuronals.
• La recerca és fruit d’una col·laboració entre l’Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos (IFISC, UIB-CSIC, Unitat d’Excel·lència María de Maeztu), l’Institut de Neurociències (CSIC–Universitat Miguel Hernández, Centre d’Excel·lència Severo Ochoa) i la Universitat d’Ais-Marsella (França).

Un nou estudi liderat per l’IFISC (CSIC-UIB, Unitat d'Excel·lència María de Maeztu) ha descobert com el cervell canvia amb flexibilitat les vies de comunicació modulant l'equilibri entre dos mecanismes inhibitoris fonamentals. Els investigadors van combinar el modelatge computacional amb gravacions experimentals de l'hipocamp per a mostrar com les interaccions entre oscil·lacions theta lentes i ritmes gamma ràpids poden dirigir-se de ràpides a lentes o viceversa, depenent del predomini de la inhibició feedforward o feedback. Aquest mecanisme, presentat a PLoS Computational Biology, ofereix als circuits neuronals una forma dinàmica de prioritzar i dirigir la informació, amb implicacions directes per a la memòria, l'aprenentatge i l'atenció.

Tradicionalment, els neurocientífics creien que els ritmes cerebrals lents, com theta, organitzaven l'activitat més ràpida, com les oscil·lacions gamma. No obstant això, aquest nou estudi demostra que aquesta relació és bidireccional. Utilitzant un marc teòric que integra dades electrofisiológiques de rates que exploren entorns nous i familiars, els investigadors van identificar dos modes de funcionament: en un, la inhibició feedforward condueix a interaccions de gamma a gamma, mentre que en l'altre, la inhibició feedback produeix interaccions de theta a gamma. I, el que és més important, els circuits neuronals reals combinen tots dos motius, i la transició entre ells pot ajustar-se suaument mitjançant la força sinàptica dins de rangs biològicament realistes.

«Aquest treball proporciona una explicació mecanicista de com el cervell canvia amb flexibilitat els canals de comunicació en funció del context», afirma Claudio Mirasso, investigador de l’IFISC i autor de l'estudi. «Ajustant l'equilibri entre els diferents tipus d'inhibició, els circuits poden decidir quines entrades prioritzar, tant si procedeixen de vies relacionades amb la memòria com de nova informació sensorial».

L'equip va validar el seu model utilitzant gravacions de vies específiques de l'hipocamp. Van descobrir que quan els animals exploraven entorns familiars, els circuits afavorien un mode dominat per la retroalimentació, i potenciaven la transmissió directa del còrtex entorrinal a l'hipocamp. En canvi, l'exploració de la novetat induïa un canvi cap a interaccions dominades pel feedforward, la qual cosa permetia una major contribució de les vies paral·leles i integrava la recuperació de la memòria amb les entrades sensorials. Aquest mecanisme de canvi flexible suggereix que les interaccions entre freqüències no són fixes, sinó que s'adapten a les demandes del comportament.

«Els nostres resultats ajuden a unificar els diferents punts de vista sobre com sorgeix l'acoblament entre freqüències», explica Mirasso. «En lloc de ser purament locals o heretats de regions anteriors, aquests ritmes sorgeixen d'una interacció entre entrades externes i dinàmiques inhibitòries locals. Aquest mecanisme dual permet al cervell optimitzar el processament de la informació en diferents condicions».

Més enllà de la memòria i la navegació, les troballes poden estendre's a altres funcions cognitives. Un estudi recent d’electrocorticografia humana sobre l'atenció va revelar patrons coherents amb el model, la qual cosa indica que els mateixos principis poden regir la forma en què el cervell filtra els estímuls rellevants dels que distreuen. En proporcionar un marc conceptual que vincula l'equilibri de la inhibició a la dinàmica oscil·latòria, l'estudi obre noves vies per a investigar la flexibilitat del cervell en diferents regions i tasques.

De cara al futur, els investigadors pretenen ampliar el seu model mínim per a incloure una major diversitat de tipus d’interneurones i arquitectures específiques de cada regió. Aquest perfeccionament podria aportar informació sobre els trastorns clínics que alteren l'acoblament de freqüències creuades, com l'epilèpsia, l'esquizofrènia o la malaltia d'Alzheimer. «La comprensió d'aquesta dinàmica a un nivell mecanicista podria inspirar noves estratègies d'intervenció terapèutica», conclou Mirasso.

Foto: De esquerra a dreta, Santiago Canals (Instituto de Neurociencias de Alicante), Dimitrios Chalkiadakis (IFISC, UIB-CSIC) and Claudio Mirasso (IFISC, UIB-CSIC). Comuniación Instituto de Neurociencias CSIC-UMH

Referència

Chalkiadakis D, Sánchez-Claros J, López-Madrona VJ, Canals S, Mirasso CR (2025). The role of feedforward and feedback inhibition in modulating theta-gamma cross-frequency interactions in neural circuits. PLoS Comput Biol 21(8): e1013363. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1013363

• CSIC
• Instituto de Neurociencias de Alicante
• Delegación CSIC Comunitat Valenciana