Vés enrere

Dissecció funcional in silico del cervell durant el cicle natural de vigília-son

Dissecció funcional in silico del cervell durant el cicle natural de vigília-son

Un estudi en què ha participat Gustavo Deco, professor d'investigació ICREA i director del Centre Cognició i Cervell, publicat a la revista NeuroImage, implementa un model semiempíric per descriure els estats cerebrals des de la vigília fins al son profund.

24.06.2020

Imatge inicial

El cervell humà és un sistema complex compost per 1010 unitats no lineals (neurones) que interactuen en 1015 llocs (sinapsis). Considerant un nivell tan sorprenent de complexitat i heterogeneïtat, és sorprenent que la dinàmica global del cervell s'autoorganitzi en un conjunt discret d'estats ben definits.

Sovint, els possibles estats cerebrals es presenten dins d'un continu unidimensional.  Aquest continu correspon al nivell de consciència, que queda reduït en estats com ara el son, l'anestèsia general o els trastorns poscomatosos. La intuïció darrere del concepte de "nivell de consciència" és que la consciència és gradual i uniforme.

Una alternativa a aquesta concepció és la caracterització multidimensional i mecanicista dels estats cerebrals en termes de capacitats cognitives, utilitzant models computacionals per reproduir la dinàmica neural subjacent.

Aquest ha estat l'enfocament d'un estudi publicat en l'edició avançada en línia de la revista NeuroImage. Un treball amb participació internacional, el primer autor del qual és Ignacio Pérez Ipiña, investigador en el Departament de Física de la Universitat de Buenos Aires, amb qui ha col·laborat Gustavo Decoo, professor d'investigació ICREA del Departament de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (DTIC) i director del Centre Cognició i Cervell (CBC), de la UPF, entre d'altres investigadors de centres de recerca i universitats d'Alemanya, Argentina, Austràlia, Xile, Dinamarca i Regne Unit.

Un model semiempíric que vincula l'activació regional i la connectivitat funcional de llarg abast en els diferents estats cerebrals estudiats durant el cicle natural de vigília-son

El protocol experimental va comptar amb la participació d'una cohort de 63 subjectes sans. "Explorem una alternativa d'estudi introduint un model semiempíric que vincula l'activació regional i la connectivitat funcional de llarg abast en els diferents estats cerebrals estudiats durant el cicle natural de vigília-son", afirmen els autors. "El nostre model combina dades de ressonància magnètica funcional (fMRI), in vivo estimacions de connectivitat estructural i antecedents anatòmicament informats per restringir la variació de connectivitat independent de l'activació regional", afegeixen.

La segregació funcional del cervell humà en sistemes que s'activen diferencialment durant la cognició es coneix des dels primers dies de la neurologia, i aquest coneixement va avançar summament a l'introduir eines de neuroimatge no invasives. A causa d'aquesta especialització, encara que diferents estats cerebrals provoquen canvis globals en el metabolisme cerebral, és probable que les conseqüències funcionals d'aquests canvis manifestin dependència regional. Per tant, "vam fer una simulació computacional de la connectivitat funcional cerebral per als diferents nivells d'excitació en el cicle vigília-son", indica Gustavo Deco.

Es poden descriure estats de consciència en termes de múltiples dimensions amb interpretacions donades per l'elecció d'informació anatòmicament informada

El millor ajust computacional a les dades empíriques es va aconseguir utilitzant els antecedents basats en xarxes funcionalment coherents amb els paràmetres del model resultant dividint l'escorça en regions que presenten un comportament dinàmic oposat. En aquest estudi, les regions frontoparietals es van acostar a un comportament dinàmic de més accessibilitat des d'una dinàmica cerebral sorollosa, mentre que les regions sensoriomotores es van apropar a una dinàmica de major accessibilitat des d'una dinàmica oscil·latòria.

"D'acord amb els experiments electrofisiològics humans, l'inici del son va induir la desactivació subcortical, que posteriorment es va invertir per etapes més profundes. Vam simular pertorbacions externes, i vam identificar les regions clau rellevants per a la recuperació de la vigília del son profund. El nostre model representa el son com un estat amb disminució de la percepció perceptiva i amb la capacitat latent d'accessibilitat global que es requereix per a les excitacions ràpides", explica Deco.

En conclusió, els autors d'aquest estudi van implementar un model computacional que sintetitza diferents fonts de dades empíriques per aconseguir una descripció mecanicista i multidimensional de la complexitat intermèdia dels diferents estats cerebrals visitats durant la progressió des de la vigília fins el son profund. Aquest treball mostra que, a través del model proposat, es poden descriure estats de consciència en termes de múltiples dimensions amb interpretacions donades per l'elecció d'informació anatòmicament informada.

Treball de referència:

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 juliol. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2020.116833

Multimèdia

Multimedia

Multimedia

Categories:

Per a més informació

Para más información

For more information

Notícia publicada per:

Noticia publicada por:

News published by:

Unitat de Comunicació i Projecció Institucionals

Unidad de Comunicación y Proyección Institucionales

Institutional Communication and Promotion Unit