Aunque represente solo el 2% del peso de una persona, el cerebro consume el 20% de la energía total del cuerpo. Mantener la actividad cerebral tiene un coste energético alto para un ser vivo y, a su vez, investigaciones recientes han demostrado que mantener la actividad intrínseca del cerebro en los diferentes estados de “supuesto reposo”, o de no interacción con el exterior, es mucho más costoso que interpretar y responder a determinados estímulos externos. Es por esto por lo que nos es más fácil pasar tiempo ante la televisión (que nos demanda poca acción) que leer un libro o escuchar con atención un podcast.

“Describir y diferenciar los estados cerebrales es una tarea aún muy difícil de realizar, y no existe aún un marco de referencia globalmente aceptado sobre cuál es la mejor variable para describirlos. En este estudio contamos que la caracterización de la actividad cerebral mediante medidas de turbulencia permite distinguirlos con una precisión máxima, como si se tratara de huellas dactilares de los estados cerebrales”.

Quien habla es el profesor Gustavo Deco, del Grupo de Neurociencia Computacional del Center for Brain and Cognition (CBC) de la UPF, investigador ICREA y coautor de un estudio publicado en la revista Communications Biology. La idea general de los científicos es que dichas turbulencias pueden utilizarse como biomarcadores.

El grupo ya había demostrado en un trabajo anterior que cuando el cerebro cambia de estado, las diferentes fases de la actividad cerebral aparecían y desaparecían de manera sincronizada. En ese trabajo demostraron que la dinámica cerebral mostraba un caos espaciotemporal, es decir, que en algunos momentos y lugares se formaban unas turbulencias y estas son una muy eficiente forma de transmitir información. “Las turbulencias son eso, caos en el espacio y el tiempo. Y es en ese momento cuando se da la mayor transmisión de energía. Lo mismo pasa en las turbulencias en el agua, por ejemplo, el momento de mayor transmisión de energía es cuando se forman vórtices”, continúa Deco.

Un ejemplo de la importancia de las turbulencias lo obtenemos cuando queremos mezclar bien una sopa o un cocido. La mejor manera para que todos los ingredientes se mezclen es hacer un movimiento caótico y sin orden. Si, por el contrario, realizamos un movimiento laminar (la cuchara moviéndose siempre en un sentido y con una misma intensidad) la mezcla no ocurrirá o tardará mucho en realizarse.

Los investigadores se enfocaron en comparar tres circunstancias: un estado de descanso comparado con uno de meditación; otro donde se comparaba participantes dormidos y despiertos; y un caso médico, con la participación del Instituto del Cerebro en París, y el Grupo de Ciencias del Coma en Lieja, Bélgica, de pacientes con desordenes de conciencia post-coma, como son el estado de mínima conciencia y el síndrome de vigilia sin respuesta (MCS y UWS por sus siglas en inglés) que se contrastaron con personas sanas o recuperadas del coma.

En los tres grupos encontraron que había diferencias en los patrones de transferencia de la información. También realizaron las medidas con modelos computacionales de actividad cerebral global que permite refinar las medidas de una forma más precisa y también encontraron esas diferencias.

¿Es esta la única manera de estudiar los estados cerebrales?

“Hay muchos métodos que, tomando las mismas medidas, pueden medir las interacciones en el cerebro”, continúa Deco. “Unos miran como esta segregado el cerebro, otros calculan la correlación global de todas las interacciones y escogen el valor medio. Todas ellas distinguen entre un estado consciente de uno no consciente, pero ninguno lo hace considerando directamente la transmisión de información como lo hacemos nosotros, que nos permite tener una huella dactilar de la turbulencia y nos permite modelarla como queramos”.

"Todos los sistemas pueden distinguir entre un estado consciente de uno no consciente, pero ninguno lo hace considerando directamente la transmisión de información como lo hacemos nosotros, que nos permite tener una huella dactilar de la turbulencia y nos permite modelarla como queramos”

Las turbulencias están en presentes en todos los estados cerebrales. Anira Escrichs y Yonatan Sanz Perl, autores principales del estudio e investigadores en el mismo grupo de neurociencia computacional, agregan: “Lo que nos ha permitido caracterizar los diferentes estados cerebrales es cómo se transfiere la información a través de escalas espaciotemporales. Por ejemplo, en los pacientes con desordenes de conciencia se transmite más información en escalas espaciales pequeñas y menos en escalas largas, mientras que en los participantes dormidos la información se transmite menos en todas las escalas”.

El estudio contó con el apoyo del Human Brain Project (HBP), el Ministerio de Ciencia e Innovación, la Institució Catalana de la Recerca i Estudis Avancats (ICREA), entre otros. También participaron investigadores Departamento de Física de la Universidad de Buenos Aires, Argentina; el Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS); el Instituto de Neurociencias de la Universidad de Barcelona y la Unidad de Cognición y Plasticidad Cerebral del Institut d'Investigació Biomèdica de Bellvitge (IDIBELL) entre otros.

Artículo de referencia:

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