En un nou estudi neurocientífic de tour de force, dirigit pel Centre per al Cervell i la Cognició (CBC) de la UPF i el Centre per a la Eudaimonia i la Florescència Humana de la Universitat d'Oxford, els investigadors han descobert que la transferència eficient d'informació a tot el cervell depèn de la turbulència. Aquest estudi mesura directament amb magnetoencefalografia la turbulència a la dinàmica cerebral neuronal ràpida.

Originalment encunyada com a "turbolenza" per Leonardo DaVinci fa més de 500 anys, la turbulència ha demostrat ser omnipresent a la naturalesa com un règim dinàmic essencial que facilita l'energia i la transferència eficient d'informació a través d'escales espaciotemporals.

Aquest és el resultat d'un estudi realitzat per investigadors del CBC de la UPF, la Universitat d'Oxford i també la Universitat d'Indiana, els resultats del qual s’exposen a l'article “The effect of turbulence in brain dynamics information transfer”, publicat recentment a la revista Nature d'alt impacte Communications Physics. Els coautors de l'article són Gustavo Deco (CBC-UPF), Samuel Liebana Garcia (Universitat d’Oxford), Yonatan Sanz Perl (CBC-UPF), Olaf Sporns (Universidad de Indiana) i Morten L. Kringelbach (Universitat d’Ofxord).

Nou biomarcador basat en la turbulència

La nova troballa fonamental de la turbulència com a clau per al processament de la informació en el cervell humà es pot utilitzar per construir nous biomarcadors de malalties. La turbulència és un fenomen que la majoria de la gent associa principalment a remolins o amb experiències aterridores a bord d'avions. Però, abans de res, la turbulència és un principi fonamental de la naturalesa que proporciona les propietats de mescla òptimes, la qual cosa permet la transferència eficient d'energia i informació en l'espai i el temps. S'ha demostrat que la turbulència és la forma òptima d'enviar energia en cascada a través de l'espai i el temps en moltes escales i, com a tal, és un principi organitzador fonamental dels sistemes físics.

Això té implicacions pràctiques importants, com la idea que és molt millor usar l’agitació turbulenta durant la cocció, ja que això ajuda a barrejar els ingredients de manera òptima. De la mateixa manera, la turbulència també s’utilitza per trobar formes més eficients des del punt de vista energètic per millorar les plantes químiques, els avions i els molins de vent.

La nova mesura de metaestabilitat local mesura els canvis en els moviments dinàmics continus dels fluxos elèctrics de les neurones en una escala espacial i temporal. Aquesta nova mesura és el que constitueix el nou biomarcador per detectar malalties neuropsiquiàtriques o per diferenciar diferents estats cerebrals, tal com explica l'autor principal de l'article i investigador del CBC de la UPF, el professor Gustavo Deco: “En aquest estudi, hem creat un nova perspectiva per analitzar la dinàmica cerebral, que permet generar nous biomarcadors potencialment útils en neuropsiquiatria”. El professor Morten L. Kringelbach (Universitat d’Ofxord), investigador principal, afegeix: "Els resultats aporten nous coneixements fonamentals sobre com la turbulència i, en general, la termodinàmica, són els principis clau que permeten que el cervell sobrevisqui i prosperi".

La creació d'aquesta nova unitat de mesura ha estat fonamental per poder estudiar amb major precisió que en recerques anteriors com la informació i l'energia es transmeten de manera eficient dins del cervell a través de turbulències neuronals. Anteriorment, la turbulència s'havia mesurat mitjançant ressonància magnètica funcional, que és una mesura indirecta i lenta de l'activitat neuronal, que depèn dels nivells d'oxigenació a la sang. Com a tal, la IRMf (ressonància magnètica funcional) no mesura directament els senyals elèctrics de les neurones i les captura amb endarreriment (o latència), que correspon al mateix temps que triga la sang a respondre als senyals cerebrals.

La primera vegada que es mostra la turbulència en dinàmiques ràpides de tot el cervell

Per superar les limitacions de la ressonància magnètica funcional, els investigadors han utilitzat la tècnica de la magnetoencefalografía (MEG) per analitzar la turbulència al conjunt del cervell. La MEG mesura directament els senyals elèctrics de les neurones en mil·lisegons -i, per tant, les captura immediatament-, capturant escales de temps ràpides de la dinàmica cerebral en mil·lisegons, en comparació amb els segons de la IRMf. Això no obstant, la precisió espacial de la MEG se situa al voltant dels 5 mm3, que no és tan alta com la d’1 mm3 que ofereix la fMRI.

Aquest nou sistema de mesura s'ha aplicat a l'activitat cerebral a les regions corticals de 89 persones sanes. Els resultats utilitzen el modelatge de tot el cervell per demostrar que la turbulència cerebral és fonamental per a transmetre informació i energia de manera eficient dins del cervell tant en l'espai com en el temps.

De cara al futur, els investigadors planegen provar aquest nou biomarcador sensible basat en la turbulència també en regions subcorticals. Aquestes són regions del cervell importants en les causes del Parkinson o la malaltia de Huntington. Si bé els seus efectes també es troben a l'escorça cerebral, l'examen de les regions subcorticals podria servir per avançar encara més en el diagnòstic primerenc i la possible prevenció o tractament d'aquestes malalties.

Article de referència:

Deco, G., Liebana Garcia, S., Sanz Perl, Y. et al. The effect of turbulence in brain dynamics information transfer measured with magnetoencephalography. Commun Phys 6, 74 (2023). https://doi.org/10.1038/s42005-023-01192-2