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Disección funcional in silico del cerebro durante el ciclo natural de vigilia-sueño

Disección funcional in silico del cerebro durante el ciclo natural de vigilia-sueño

Un estudio en el que ha participado Gustavo Deco, profesor de investigación ICREA y director del Centro Cognición y Cerebro, publicado en la revista NeuroImagen, implementa un modelo semiempírico para describir los estados cerebrales desde la vigilia hasta el sueño profundo.

24.06.2020

Imatge inicial

El cerebro humano es un sistema complejo compuesto por 10 10 unidades no lineales (neuronas) que interactúan en 10 15 sitios (sinapsis). Considerando un nivel tan asombroso de complejidad y heterogeneidad, es sorprendente que la dinámica global del cerebro se autoorganice en un conjunto discreto de estados bien definidos .

A menudo, los posibles estados cerebrales se presentan dentro de un continuo unidimensional.  Este continuo corresponde al nivel de conciencia, que se queda reducido en estados como el sueño, la anestesia general o los trastornos poscomatosos. La intuición detrás del concepto de "nivel de conciencia" es que la conciencia es gradual y uniforme.

Una alternativa a esta concepción es la caracterización multidimensional y mecanicista de los estados cerebrales en términos de capacidades cognitivas, utilizando modelos computacionales para reproducir la dinámica neural subyacente

Este ha sido el enfoque de un estudio publicado en la edición avanzada en línea de la revista NeuroImage. Un trabajo con participación internacional, cuyo primer autor es Ignacio Perez Ipiña, investigador del Departamento de Física de la Universidad de Buenos Aires, junto con quien ha colaborado Gustavo Deco, profesor de investigación ICREA del Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones DTIC y director del Centro Cognición y Cerebro CBC, de la UPF, entre otros investigadores de centros de investigación y universidades de Alemania, Argentina, Australia, Chile, Dinamarca i Reino Unido.

Un modelo semiempírico que vincula la activación regional y la conectividad funcional de largo alcance en los diferentes estados cerebrales estudiados durante el ciclo natural de vigilia-sueño

El protocolo experimental contó con la participación de una cohorte de 63 sujetos sanos. "Exploramos una alternativa  de estudio introduciendo un modelo semiempírico que vincula la activación regional y la conectividad funcional de largo alcance en los diferentes estados cerebrales estudiados durante el ciclo natural de vigilia-sueño", afirman los autores.  "Nuestro modelo combina datos de resonancia magnética funcional (fMRI), in vivo estimaciones de conectividad estructural y antecedentes anatómicamente informados para restringir la variación de conectividad independiente de la activación regional", añaden. 

La segregación funcional del cerebro humano en sistemas que se activan diferencialmente durante la cognición se conoce desde los primeros días de la neurología, y este conocimiento avanzó sumamente al introducir herramientas de neuroimagen no invasivas. Debido a esta especialización, incluso si diferentes estados cerebrales provocan cambios globales en el metabolismo cerebral, es probable que las consecuencias funcionales de estos cambios manifiesten dependencia regional. Por lo tanto, "simulamos de manera computacional la conectividad funcional cerebral para los diferentes niveles de excitación en el ciclo vigilia-sueño", indica Gustavo Deco.

Se pueden describir estados de conciencia en términos de múltiples dimensiones con interpretaciones dadas por la elección de información anatómicamente informada

El mejor ajuste a los datos empíricos se logró utilizando los antecedentes basados ​​en redes funcionalmente coherentes, con los parámetros del modelo resultante dividiendo la corteza en regiones que presentan un comportamiento dinámico opuesto. En este estudio, las regiones frontoparietales se acercaron a un comportamiento dinámico de mayor accesibilidad desde una dinámica ruidosa, mientras que las regiones sensoriomotoras se acercaron a una dinámica de mayor accesibilidad desde una dinámica oscilatoria.

"De acuerdo con los experimentos electrofisiológicos humanos, el inicio del sueño indujo la desactivación subcortical, que posteriormente se invirtió para etapas más profundas. Simulamos perturbaciones externas, e identificamos las regiones clave relevantes para la recuperación de la vigilia del sueño profundo. Nuestro modelo representa el sueño como un estado con disminución de la percepción perceptiva y la capacidad latente de accesibilidad global que se requiere para las excitaciones rápidas", explica Deco.

En conclusión, los autores de este estudio implementaron un modelo computacional que sintetiza diferentes fuentes de datos empíricos para lograr una descripción mecanicista y multidimensional de la complejidad intermedia de los diferentes estados cerebrales visitados durante la progresión desde la vigilia hasta el sueño profundo. Este trabajo muestra que, a través del modelo propuesto,  se pueden describir estados de conciencia en términos de múltiples dimensiones con interpretaciones dadas por la elección de información anatómicamente informada.

Trabajo de referencia:

Ignacio Pérez Ipiña, Patricio Donnelly Kehoe, Morten Kringelbach, Helmut Laufs, Agustín Ibañez, Gustavo Deco, Yonatan Sanz Perl, Enzo Tagliazucchi (2020), "Modeling regional changes in dynamic stability during sleep and wakefulness", edición avanzada en línea de NeuroImage, vol. 215, 15 julio. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2020.116833

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