Los ritmos cerebrales revelan cómo los circuitos neuronales dirigen la información con flexibilidad

• El estudio, publicado en PLoS Computational Biology, muestra que el equilibrio entre la inhibición feedforward y la inhibición feedback determina la direccionalidad de las interacciones entre los ritmos cerebrales theta y gamma, permitiendo un enrutamiento flexible de la información a través de los circuitos neuronales.
• La investigación es fruto de la colaboración entre el Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC, UIB-CSIC, Unidad de Excelencia María de Maeztu), el Instituto de Neurociencias (CSIC-Universidad Miguel Hernández, Centro de Excelencia Severo Ochoa), y la Aix-Marseille Université (Francia).

Un nuevo estudio liderado por el IFISC (CSIC-UIB, Unidad de Excelencia María de Maeztu) ha descubierto cómo el cerebro cambia con flexibilidad las vías de comunicación modulando el equilibrio entre dos mecanismos inhibitorios fundamentales. Los investigadores combinaron el modelado computacional con grabaciones experimentales del hipocampo para mostrar cómo las interacciones entre oscilaciones theta lentas y ritmos gamma rápidos pueden dirigirse de rápidas a lentas o viceversa, dependiendo del predominio de la inhibición feedforward o feedback. Este mecanismo, presentado en PLoS Computational Biology, ofrece a los circuitos neuronales una forma dinámica de priorizar y dirigir la información, con implicaciones directas para la memoria, el aprendizaje y la atención.

Tradicionalmente, los neurocientíficos creían que los ritmos cerebrales lentos, como theta, organizaban la actividad más rápida, como las oscilaciones gamma. Sin embargo, este nuevo estudio demuestra que esta relación es bidireccional. Utilizando un marco teórico que integra datos electrofisiológicos de ratas que exploran entornos nuevos y familiares, los investigadores identificaron dos modos de funcionamiento: en uno, la inhibición feedforward conduce a interacciones de gamma a gamma, mientras que en el otro, la inhibición feedback produce interacciones de theta a gamma. Y lo que es más importante, los circuitos neuronales reales combinan ambos motivos, y la transición entre ellos puede ajustarse suavemente mediante la fuerza sináptica dentro de rangos biológicamente realistas.

«Este trabajo proporciona una explicación mecanicista de cómo el cerebro cambia con flexibilidad los canales de comunicación en función del contexto», afirma Claudio Mirasso, investigador del IFISC y autor del estudio. «Ajustando el equilibrio entre los distintos tipos de inhibición, los circuitos pueden decidir qué entradas priorizar, ya procedan de vías relacionadas con la memoria o de nueva información sensorial».

El equipo validó su modelo utilizando grabaciones de vías específicas del hipocampo. Descubrieron que cuando los animales exploraban entornos familiares, los circuitos favorecían un modo dominado por la retroalimentación, potenciando la transmisión directa del córtex entorrinal al hipocampo. En cambio, la exploración de la novedad inducía un cambio hacia interacciones dominadas por el feedforward, lo que permitía una mayor contribución de las vías paralelas e integraba la recuperación de la memoria con las entradas sensoriales. Este mecanismo de cambio flexible sugiere que las interacciones entre frecuencias no son fijas, sino que se adaptan a las demandas del comportamiento.

«Nuestros resultados ayudan a unificar los distintos puntos de vista sobre cómo surge el acoplamiento entre frecuencias», explica Mirasso. «En lugar de ser puramente locales o heredados de regiones anteriores, estos ritmos surgen de una interacción entre entradas externas y dinámicas inhibitorias locales. Este mecanismo dual permite al cerebro optimizar el procesamiento de la información en distintas condiciones».

Más allá de la memoria y la navegación, los hallazgos pueden extenderse a otras funciones cognitivas. Un reciente estudio de electrocorticografía humana sobre la atención reveló patrones coherentes con el modelo, lo que indica que los mismos principios pueden regir la forma en que el cerebro filtra los estímulos relevantes de los distractores. Al proporcionar un marco conceptual que vincula el equilibrio de la inhibición a la dinámica oscilatoria, el estudio abre nuevas vías para investigar la flexibilidad del cerebro en distintas regiones y tareas.

De cara al futuro, los investigadores pretenden ampliar su modelo mínimo para incluir una mayor diversidad de tipos de interneuronas y arquitecturas específicas de cada región. Este perfeccionamiento podría arrojar luz sobre los trastornos clínicos que alteran el acoplamiento de frecuencias cruzadas, como la epilepsia, la esquizofrenia o la enfermedad de Alzheimer. «La comprensión de esta dinámica a un nivel mecanicista podría inspirar nuevas estrategias de intervención terapéutica», concluye Mirasso.

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

Referencia

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

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