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La segunda ley de la termodinámica al auxilio del estudio del cerebro

La segunda ley de la termodinámica al auxilio del estudio del cerebro

Investigadores de la UPF han publicado un estudio utilizando los principios de la segunda ley de la termodinámica para comprender, caracterizar y modelar los diferentes estados cerebrales.

26.07.2022

Imatge inicial

Albert Einstein explicaba en sus Notas autobiográficas de 1949 la siguiente afirmación: “Una teoría resulta tanto más impresionante cuanto mayor es la simplicidad de sus premisas, más fenómenos diferentes relaciona y más extensa es su área de aplicabilidad. De ahí la profunda impresión que me produjo la termodinámica clásica. Es la única teoría física de contenido universal sobre la que estoy convencido de que, en el marco de la aplicabilidad de sus conceptos básicos, nunca será derrocada”.

Los principios de la termodinámica resultan aplicables a cualquier sistema. Desde la comprensión de los motores, las reacciones químicas, la expansión del universo o los agujeros negros y hasta el estudio de los estados cerebrales

Investigadores del Grupo de Neurociencia Computacional del Center for Brain and Cognition (CBC) de la UPF, en colaboración con universidades de Argentina, Australia, China, Europa y Reino Unido, han publicado recientemente un estudio en el que enseñan cómo la segunda ley de la termodinámica les ha ayudado a entender y generar un biomarcador robusto para distinguir los estados cerebrales.

“En nuestro grupo hemos estudiado por muchos años en qué forma la dinámica del cerebro cambia en los diferentes estados, por ejemplo, entre el sueño y la vigilia y la actividad cognitiva activa, o durante un coma, o en pacientes con enfermedades neurológicas”, nos explica Gustavo Deco, director del grupo e investigador ICREA. “La idea subyacente es que el cerebro funciona como una orquesta, con un director y con jefes en cada “sección” (los violines, los vientos, las cuerdas, etc.) y según el estado en el que estemos, esas las jerarquías cambian y se transforman, y es ahí cuando logramos distinguir las cosas. Un sistema jerárquico es uno en el que hay una o varias zonas que toman la batuta, que dirigen a otras áreas”.

“La idea subyacente es que el cerebro funciona como una orquesta, con un director y con jefes en cada “sección” (los violines, los vientos, las cuerdas, etc.) y según el estado en el que estemos, esas las jerarquías cambian y se transforman, y es ahí cuando logramos distinguir las cosas"

Este cambio se puede cuantificar midiendo cómo están conectadas funcionalmente en cada estado del cerebro. En el estudio publicado en la revista Communications Biology, los investigadores cuantificaron esa jerarquía, pero no solo midiendo las interacciones entre las diversas partes del cerebro utilizando una técnica llamada fMRI, o Imagen por Resonancia Magnética Funcional, que permite ver la actividad cerebral, sino utilizando un truco basado en la segunda ley de la termodinámica la cual dice que un sistema tiende a pasar del orden al desorden a medida que pasa el tiempo.

Este aumento en el nivel de desorden se le conoce como "entropía". A medida que pasa el tiempo, y si la entropía aumenta, significa que el sistema no está en equilibrio y es irreversible en el tiempo, es decir, que no podemos saber en qué momento está. Al contrario, si la entropía no crece o no se produce, se trata entonces de un sistema en equilibro y por tanto reversible en el tiempo.

Un ejemplo del aumento de la entropía, donde el sistema es irreversible, sería un video sobre un vaso rompiéndose, y si vemos la película hacia atrás o hacia adelante podremos saber fácilmente en qué momento estamos (antes o después de que el vaso se rompa, por ejemplo).

En cambio, un sistema donde la entropía no aumenta, es decir, que es reversible, sería un vídeo sobre un juego de billar, el momento en que dos bolas chocan y se alejan entre sí. Al mostrar el vídeo ya sea hacia adelante o hacia atrás es idéntico, no podemos distinguir en qué momento estamos.

“Al cuantificar la relación entre las diferentes partes del cerebro se rompe la simetría”, explica Deco. “Si muevo la serie de señales hacia adelante y hacia atrás, y las comparo como hice con las películas, podré saber de qué sistema se trata: uno reversible es no jerárquico. Uno no reversible es un sistema jerárquico”.

Aplicando esto, los investigadores vieron que la técnica es un buen biomarcador de la conciencia cerebral. En los experimentos en humanos, los datos del fMRI mostraron que hay diferencias entre el estado de descanso y la vigilia y cuando hacemos tareas cognitivas. “Vimos que a medida que hacemos más tareas cognitivas, tenemos una mayor No reversibilidad, es decir el sistema es más jerárquico, y, al revés, al no estar conscientes, la no reversibilidad baja, es decir que el sistema es menos jerárquico”, continúa Deco. “Este biomarcador es muy bueno pues es muy sensible y nos está diciendo que hay un mecanismo detrás, y esto sirve mucho para poder clasificar los diferentes estados cerebrales, especialmente aquellos en los que el consenso no está claro, como por ejemplo el coma”.

Se trata de un tema muy práctico pues la clasificación de los estados ayuda a definir los tratamientos y expectativas que puede tener un paciente. Tener un buen biomarcador que caracterice cualquier tipo de enfermedad neuropsiquiátrica, o accidentes cerebrovasculares, infarto e incluso depresión es el primer paso. “Luego hay que modelarlo y utilizar el modelo in silico para probar todas las perturbaciones que sean posibles y que además sean individualizadas, para cada persona, para determinar el mejor plan de acción para la terapia de cada paciente. Este tipo de aproximación tiene un gran interés traslacional, es decir, de aplicar resultados de esta investigación básica a la industria”, termina.

Artículo de referencia:

Deco, G., Sanz Perl, I., Bocaccio, H. et al. The INSIDEOUT framework provides precise signatures of the balance of intrinsic and extrinsic dynamics in brain states. Commun Biol 5, 572 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-022-03505-7

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