La propuesta de una teoría mecanicista para explicar la aparición de los ritmos cerebrales, que podría contribuir a diseñar estrategias terapéuticas más precisas, es el tema central de un artículo publicado recientemente en la revista Nature Communications Physics por un equipo internacional de investigadores, cuyo autor principal es el director del Center for Brain and Cognition de la UPF, Gustavo Deco.

El artículo expone cómo el cerebro mantiene el ritmo a través de un modelo mecánico simple con el que describen el comportamiento de estas ondas. Comprender la aparición de los ritmos cerebrales podría permitir el diseño de estrategias terapéuticas más precisas destinadas a modular la actividad cerebral oscilatoria disfuncional. 

En este sentido, hay que tener en cuenta que los principios fundamentales que coordinan estas ondas en el campo electromagnético del cerebro siguen sin estar claros, lo que limita el avance de las estrategias terapéuticas para reequilibrar los ritmos patológicos. Por ello, la aportación de la investigación recogida por este artículo científico es relevante desde el punto de vista clínico.

Una investigación desarrollada por un equipo internacional e interdisciplinar

El equipo internacional que ha elaborado esta investigación es interdisciplinar y está formado por expertos en neurociencia, física, matemáticas y ciencia computacional avanzada. El artículo que recoge sus resultados, titulado “Metastable oscillatory modes emerge from synchronization in the brain spacetime connectome”, fue publicado por la revista Nature Communications Physics en julio de este año.  Además de Gustavo Deco, el resto de coautores del artículo son Joana Cabral (Instituto de Investigación en Ciencias de la Vida y la Salud, Universidad de Minho), Francesca Castaldo (doctoranda del Centro Wellcome Centre for Human Neuroimaging en la University College London), Jakub Vohryzek (Oxford Computational Neuroscience, University of Oxford e investigador postdoctoral en la UPF), Vladimir Litvak (UCL Queen Square Institute of Neurology), Christian Bick (Departament of Mathematics, Vrije Universiteit Amsterdam), Renaud Lambiotte (Oxford Centre for Industrial and Applied Mathematics), Karl Friston (Institute of Neurology, University College London) y Morten L. Kringelbach (Departament  of Psyquiatry, University of Oxford).

Los patrones de los ritmos cerebrales pueden explicarse por analogía con otros fenómenos naturales, en los que sistemas de unidades como células se involucran en un comportamiento colectivo

La aparición espontánea no resuelta de oscilaciones colectivas llamadas ritmos cerebrales es característica de los registros de electroencefalografía (EEG) y magnetoencefalografía (MEG). De hecho, hace más de un siglo que los investigadores detectaron ondas periódicas en las señales eléctricas detectadas en el cuero cabelludo de los mamíferos vivos.

La investigación de este equipo internacional muestra que los patrones de los ritmos cerebrales detectados en los registros de EEG y MEG pueden explicarse por analogía con otros fenómenos naturales que se observan en múltiples niveles y escalas en la naturaleza, donde los sistemas de unidades que interactúan, ya sean moléculas, células o incluso seres vivos, se involucran en un comportamiento colectivo. Los autores muestran que el principio de sincronización es suficiente para producir ondas de señales electromagnéticas similares a los ritmos cerebrales conocidos.

La investigación ha simulado la red cerebral con 90 osciladores amortiguados

Para ello, el estudio simula la red cerebral con la utilización de 90 osciladores amortiguados acoplados mediante el conectoma estructural del cerebro para modelar y explicar matemáticamente cómo se pueden generar ondas colectivas con frecuencias y duraciones cualitativamente similares a las detectadas en el cerebro. Mediante este sistema, se ha podido demostrar que los mecanismos de sincronización pueden explicar bien esas oscilaciones colectivas y que los cambios sutiles en los parámetros del modelo pueden explicar diferentes características del EEG.

Joana Cabral (Universidad de Minho, Portugal): “En este modelo matemático de la red cerebral, los pocos milisegundos que tardan las señales en viajar de una región cerebral a otra son cruciales para generar ondas colectivas de actividad”

“Aquí el elemento clave es el tiempo de transmisión entre las áreas del cerebro”, explica Joana Cabral, del Instituto de Investigación en Ciencias de la Vida y la Salud de la Universidad de Minho, Portugal, coautora del artículo. “En este modelo matemático de la red cerebral, los pocos milisegundos que tardan las señales en viajar de una región cerebral a otra son cruciales para generar ondas colectivas de actividad. Podemos imaginar las olas humanas en un estadio, donde el tiempo que tarda la ola colectiva en dar la vuelta al estadio depende del número de personas y del tiempo de reacción entre ellas. Este fenómeno está predicho por las leyes generales que rigen la sincronización de los osciladores junto con los retrasos de tiempo y abre puertas para comprender qué determina los ritmos detectados experimentalmente en el cerebro”, agrega Joana Cabral, que se doctoró en la UPF.

Gustavo Deco (UPF) expone que las señales generadas por el modelo mecánico muestran que existe un rango crítico de acoplamiento en el que el sistema no es ni completamente sincrónico ni asincrónico: “Los sistemas dinámicos que operan en este régimen crítico son los más sensibles a las perturbaciones, lo que aumenta la capacidad de procesamiento de la información"

Las señales generadas por el modelo demuestran la existencia de un rango crítico de acoplamiento en el que el sistema no es ni completamente sincrónico ni asincrónico, pero algunos subconjuntos de áreas cerebrales se sincronizan transitoriamente impulsando la aparición espontánea de ondas colectivas similares a las detectadas con EEG y MEG.  "Los sistemas dinámicos que operan en este régimen crítico son los más sensibles a las perturbaciones, lo que aumenta la capacidad de procesamiento de la información", explica el investigador principal Gustavo Deco, director del Center for Brain and Cognition de la UPF.

Francesca Castaldo (University College London): “Ahora nuestro objetivo es probar el impacto de distintas estrategias de perturbación para mejorar la eficacia de las técnicas de estimulación cerebral para reducir los síntomas en los trastornos neuropsiquiátricos en los que estos ritmos están interrumpidos”

La similitud de las señales obtenidas de las simulaciones por computadora con las señales registradas experimentalmente respaldan la validez de esta hipótesis mecanicista. "Ahora nuestro objetivo es probar el impacto de distintas estrategias de perturbación para mejorar la eficacia de las técnicas de estimulación cerebral para reducir los síntomas en los trastornos neuropsiquiátricos en los que estos ritmos están interrumpidos", explica Francesca Castaldo, estudiante de doctorado del Centro Wellcome para Human Neuroimaging en University College London, financiado por la European School of Network Neuroscience (euSNN), una red europea de formación para estudiantes de doctorado.