Basolateral amygdala neurons await oscillatory recruitment into valence-relevant ensembles

La capacidad del cerebro para decidir si una situación es segura o peligrosa es una cuestión de vida o muerte. Este proceso, conocido como procesamiento de la valencia, permite que un animal etiquete rápidamente una experiencia como buena o mala y luego actúe en consecuencia, ya sea acercándose a una recompensa o huyendo de una amenaza. Si bien este mecanismo de supervivencia es esencial, los científicos han luchado durante mucho tiempo por comprender la maquinaria eléctrica precisa que hace que esto suceda. Durante años, la investigación se ha centrado en dos pistas separadas. Una línea de investigación observó grupos específicos de neuronas, llamados conjuntos, que se iluminan cuando un animal aprende algo temeroso o algo gratificante. Otra línea de investigación examinó ondas eléctricas rítmicas que recorren el cerebro, conocidas como oscilaciones, que cambian de velocidad dependiendo de si el animal siente miedo o seguridad. Hasta ahora, estas dos pistas habían permanecido desconectadas. Los investigadores sabían que células cerebrales específicas estaban involucradas en el aprendizaje y que ondas cerebrales específicas estaban involucradas en los estados emocionales, pero no sabían cómo las ondas reclutaban realmente a las células adecuadas para hacer el trabajo.

Un equipo de investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de Tufts ha cerrado esta brecha al demostrar cómo estas ondas rítmicas actúan como un director de orquesta, seleccionando grupos específicos de neuronas para participar en las memorias emocionales. Se centraron en una región del cerebro llamada amígdala basolateral, un centro crítico para el procesamiento de las emociones. Utilizando herramientas avanzadas para observar las células cerebrales en tiempo real y estimularlas con ritmos eléctricos precisos, el equipo descubrió que las neuronas individuales no son solo participantes pasivos. En su lugar, poseen una sensibilidad inherente a frecuencias específicas de actividad eléctrica. Así como un receptor de radio está sintonizado para captar una estación mientras ignora otras, estas células cerebrales están naturalmente sintonizadas para responder a patrones rítmicos específicos. Los investigadores descubrieron que cuando el cerebro genera un ritmo lento asociado con el miedo, recluta un conjunto específico de neuronas que proyectan hacia áreas que controlan la evitación. Cuando se genera un ritmo más rápido asociado con la seguridad, se recluta un conjunto diferente de neuronas para impulsar conductas de aproximación.

Para descubrir este mecanismo, los científicos primero necesitaron confirmar que diferentes tipos de aprendizaje emocional utilizan realmente diferentes grupos de neuronas. Entrenaron a ratones para que temieran un entorno específico y luego para que desaprendieran ese miedo mediante un proceso llamado extinción. Al rastrear la actividad de las neuronas que envían señales a diferentes partes del cerebro, observaron que las neuronas involucradas en la respuesta de miedo inicial eran distintas de aquellas involucradas en aprender que el peligro había desaparecido. Esto confirmó que el cerebro utiliza equipos de células separados para estados emocionales opuestos. Sin embargo, la pregunta seguía siendo: ¿qué les dice a estos equipos específicos que se pongan de pie y tomen acción?

El equipo recurrió a la idea de que las células inhibitorias, que actúan como los frenos del cerebro, podrían ser las que establecen el ritmo. Utilizaron una técnica llamada optogenética, que permite a los científicos controlar las células cerebrales con luz, para estimular estas células inhibitorias en la amígdala. Al destellar luz en estas células a un ritmo lento de 4 veces por segundo, imitaron el estado cerebral asociado con el miedo. Cuando destellaron la luz a un ritmo más rápido de 8 veces por segundo, imitaron el estado asociado con la seguridad. Luego observaron al resto de las células cerebrales para ver quién respondía. Los resultados fueron claros y precisos. El ritmo lento activó un grupo específico de neuronas, mientras que el ritmo rápido activó un grupo completamente diferente. Algunas células respondieron a ambos, pero muchas fueron altamente selectivas, disparándose solo cuando el ritmo coincidía con su sintonía interna.

Los investigadores quisieron saber entonces si esta sintonía era algo con lo que las células nacieron o si era algo aprendido. Midieron las propiedades eléctricas de neuronas individuales en un cultivo para ver cómo reaccionaban a un rango de frecuencias variables. Descubrieron que las neuronas preferían naturalmente ciertas frecuencias, independientemente de si el animal había experimentado miedo o seguridad antes. Esto sugiere que el cerebro está construido con una biblioteca de células pre-sintonizadas, esperando la señal rítmica adecuada para ponerse en funcionamiento. Las células inhibitorias actúan como el interruptor, generando el ritmo que selecciona al equipo correcto de la biblioteca para manejar la situación emocional actual.

Para demostrar que este mecanismo funciona en un animal vivo y con comportamiento, el equipo combinó estas técnicas. Primero marcaron las neuronas que estuvieron activas durante una experiencia de miedo o una experiencia de seguridad. Más tarde, estimularon las células inhibitorias con luz a las frecuencias correspondientes. Cuando estimularon el cerebro a la frecuencia de "miedo", encontraron que las neuronas marcadas originalmente durante la experiencia de miedo se reactivaron. Cuando usaron la frecuencia de "seguridad", las neuronas marcadas durante la experiencia de seguridad se reactivaron. Esto demostró que el estado rítmico del cerebro no es solo un efecto secundario de la emoción, sino una causa directa que reactiva los circuitos neuronales específicos responsables de esa emoción.

El estudio también observó hacia dónde envían sus señales estas neuronas. Las neuriones que proyectan a una región involucrada en la parálisis (freezing) y la evitación tenían más probabilidades de ser reclutadas por el ritmo lento relacionado con el miedo. Las neuronas que proyectan a regiones involucradas en la recompensa y la exploración tenían más probabilidades de ser reclutadas por el ritmo más rápido relacionado con la seguridad. Esto proporciona una imagen completa de cómo el cerebro enruta la información: las células inhibitoras generan un ritmo, ese ritmo selecciona un grupo específico de neuronas basado en sus preferencias naturales de frecuencia, y esas neuronas envían entonces señales a las partes apropiadas del cerebro para producir la conducta correcta.

Este trabajo ofrece una nueva forma de entender cómo el cerebro gestiona estados emocionales complejos. Sugiere que el cerebro no necesita reconfigurarse cada vez que un animal encuentra una nueva situación. En su lugar, depende de un sistema dinámico donde el ritmo de la red determina qué herramientas preexistentes se utilizan. Los hallazgos también tienen implicaciones para la comprensión de condiciones psiquiátricas donde este sistema podría estar estancado en un estado, como en el trastorno de estrés postraumático, donde el cerebro puede ser incapaz de salir de un ritmo de miedo. Al comprender que estos ritmos son la clave para reclutar las células adecuadas, los científicos podrían algún día desarrollar tratamientos que ayuden al cerebro a restablecer su ritmo y restaurar la capacidad de aprender la seguridad. La investigación confirma que la vida emocional del cerebro no se trata solo de qué células están activas, sino de la precisión del tiempo y el ritmo que las une.