Encara que només representi el 2% del pes d'una persona, el cervell consumeix el 20% de l'energia total del cos. Mantenir l'activitat cerebral té un cost energètic alt per a un ésser viu i, alhora, investigacions recents han demostrat que mantenir l'activitat intrínseca del cervell en els diferents estats de suposat repòs, o de no interacció amb l'exterior, és molt més costós que interpretar i respondre determinats estímuls externs. És per això que ens és més fàcil passar temps davant la televisió (que ens demana poca acció) que llegir un llibre o escoltar amb atenció un podcast.

“Descriure i diferenciar els estats cerebrals és una tasca encara molt difícil de realitzar, i encara no existeix un marc de referència globalment acceptat sobre quina és la millor variable per descriure'ls. En aquest estudi comptem que la caracterització de l'activitat cerebral mitjançant mesures de turbulència permet distingir-los amb una precisió màxima, com si fossin empremtes dactilars dels estats cerebrals”, ho explica Gustavo Deco, cap del Grup de Recerca en Neurociència Computacional del Center for Brain and Cognition (CBC) de la UPF, investigador ICREA i coautor d'un estudi publicat a la revista Communications Biology. La idea general dels científics és que aquestes turbulències es poden utilitzar com a biomarcadors.

El grup ja havia demostrat en un treball anterior que quan el cervell canvia d’estat, les diferents fases de l’activitat cerebral apareixien i desapareixien de manera sincronitzada. En aquest treball van demostrar que la dinàmica cerebral mostrava un caos espaciotemporal, és a dir, que en alguns moments i llocs es formaven unes turbulències i aquestes són una forma molt eficient de transmetre informació. “Les turbulències són això, caos a l'espai i el temps. I és en aquell moment quan es dóna la transmissió d'energia més gran. El mateix passa en les turbulències a l'aigua, per exemple, el moment de més transmissió d'energia és quan es formen vòrtex”, continua Deco.

Un exemple de la importància de les turbulències l’obtenim quan volem barrejar bé una sopa o un guisat. La millor manera perquè tots els ingredients es barregin és fer un moviment caòtic i sense ordre. Si, per contra, realitzem un moviment laminar (la cullera movent-se sempre en un sentit i amb una mateixa intensitat) la barreja no passarà o trigarà molt a fer-se.

Els investigadors es van enfocar a comparar tres circumstàncies: un estat de descans comparat amb un de meditació; un altre on es comparava participants adormits i desperts; i un cas mèdic, amb la participació de l'Institut del Cervell a París, i el Grup de Ciències del Coma a Lieja, Bèlgica, de pacients amb desordres de consciència post-coma, com són l'estat de mínima consciència i la síndrome de vigília sense resposta (MCS i UWS per les sigles en anglès) que es van contrastar amb persones sanes o recuperades del coma.

Als tres grups van trobar que hi havia diferències en els patrons de transferència de la informació. També van realitzar les mesures amb models computacionals d'activitat cerebral global que permet refinar les mesures de manera més precisa i també van trobar aquestes diferències.

És l'única manera d'estudiar els estats cerebrals?

“Hi ha molts mètodes que, prenent les mateixes mesures, poden mesurar les interaccions al cervell”, explica Deco. “Uns miren com està segregat el cervell, altres calculen la correlació global de totes les interaccions i escullen el valor mitjà. Totes distingeixen entre un estat conscient d'un no conscient, però cap ho fa considerant directament la transmissió d'informació com ho fem nosaltres, que ens permet tenir una empremta dactilar de la turbulència i ens permet modelar-la com vulguem”.

"Tots els sistemes poden distingir entre un estat conscient d'un no conscient, però cap no ho fa considerant directament la transmissió d'informació com ho fem nosaltres, que ens permet tenir una empremta dactilar de la turbulència i ens permet modelar-la com vulguem"

Les turbulències són presents en tots els estats cerebrals. Anira Escrichs i Yonatan Sanz Perl, autors principals de l'estudi i investigadors al mateix grup de neurociència computacional, afegeixen: “El que ens ha permès caracteritzar els diferents estats cerebrals és com es transfereix la informació a través d'escales espaciotemporals. Per exemple, en els pacients amb desordres de consciència es transmet més informació a escales espacials petites i menys a escales llargues, mentre que en els participants adormits la informació es transmet menys a totes les escales”.

L'estudi va comptar amb el suport del Human Brain Project (HBP), el Ministeri de Ciència i Innovació, la Institució Catalana de la Recerca i Estudis Avancats (ICREA), entre d'altres. També van participar investigadors Departament de Física de la Universitat de Buenos Aires, Argentina; l'Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS); l'Institut de Neurociències de la Universitat de Barcelona i la Unitat de Cognició i Plasticitat Cerebral de l'Institut d'Investigació Biomèdica de Bellvitge (IDIBELL), entre d'altres.

Article de referència:

Escrichs, A., Perl, Y.S., Uribe, C. et al. Unifying turbulent dynamics framework distinguishes different brain states. Commun Biol 5, 638 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-022-03576-6