Vés enrere

La segona llei de la termodinàmica a l'auxili de l'estudi del cervell

La segona llei de la termodinàmica a l'auxili de l'estudi del cervell

Investigadors de la UPF han publicat un estudi utilitzant els principis de la segona llei de la termodinàmica per comprendre, caracteritzar i modelar els diferents estats cerebrals.

26.07.2022

Imatge inicial

Albert Einstein explicava a les seves Notes autobiogràfiques de 1949 la següent afirmació: “Una teoria resulta més impressionant com més gran és la simplicitat de les seves premisses, més fenòmens diferents relaciona i més extensa és la seva àrea d'aplicabilitat. Per això la profunda impressió que em va produir la termodinàmica clàssica. És l'única teoria física de contingut universal sobre la qual estic convençut que, en el marc de l'aplicabilitat dels seus conceptes bàsics, mai no serà enderrocada”.

Els principis de la termodinàmica són aplicables a qualsevol sistema. Des de la comprensió dels motors, les reaccions químiques, l'expansió de l'univers o els forats negres i fins a l'estudi dels estats cerebrals

Investigadors del Grup de Neurociència Computacional del Center for Brain and Cognition (CBC) de la UPF, en col·laboració amb universitats de l'Argentina, Austràlia, la Xina, Europa i el Regne Unit, han publicat recentment un estudi en què ensenyen com la segona llei de la termodinàmica els ha ajudat a entendre i generar un biomarcador robust per distingir els estats cerebrals.

"Al nostre grup hem estudiat per molts anys en quina forma la dinàmica del cervell canvia en els diferents estats, per exemple, entre el somni i la vigília i l'activitat cognitiva activa, o durant un coma, o en pacients amb malalties neurològiques", explica Gustavo Deco, director del grup i investigador ICREA. “La idea subjacent és que el cervell funciona com una orquestra, amb un director i amb caps a cada “secció” (els violins, els vents, les cordes, etc.) i segons l'estat en què estiguem, aquestes jerarquies canvien i es transformen, i és aquí quan aconseguim distingir les coses. Un sistema jeràrquic és on hi ha una o diverses zones que prenen la batuta, que dirigeixen a altres àrees”.

“La idea subjacent és que el cervell funciona com una orquestra, amb un director i amb caps a cada “secció” (els violins, els vents, les cordes, etc.) i segons l'estat en què estiguem, aquestes jerarquies canvien i es transformen, i és aquí quan aconseguim distingir les coses"

Aquest canvi es pot quantificar mesurant com estan connectades funcionalment a cada estat del cervell. A l'estudi publicat a la revista Communications Biology, els investigadors van quantificar aquesta jerarquia, però no només mesurant les interaccions entre les diverses parts del cervell utilitzant una tècnica anomenada fMRI, o Imatge per Ressonància Magnètica Funcional, que permet veure l'activitat cerebral, sinó utilitzant un truc basat en la segona llei de la termodinàmica que diu que un sistema tendeix a passar de l'ordre al desordre a mesura que passa el temps.

Aquest augment en el nivell de desordre se'l coneix com a “entropia”. A mesura que passa el temps, i si l'entropia augmenta, vol dir que el sistema no està en equilibri i és irreversible en el temps, és a dir, que no podem saber en quin moment és. Al contrari, si l'entropia no creix o no es produeix, es tracta aleshores d'un sistema en equilibri i, per tant, reversible en el temps.

Un exemple de l'augment de l'entropia, on el sistema és irreversible, seria un vídeo sobre un got trencant-se, i si veiem la pel·lícula cap enrere o cap endavant podrem saber fàcilment en quin moment estem (abans o després que el got es trenqui, per exemple).

En canvi, un sistema on l'entropia no augmenta, és a dir, que és reversible seria un vídeo sobre un joc de billar, el moment en què dues boles xoquen i s'allunyen entre si. En mostrar el vídeo ja sigui cap endavant o cap enrere és idèntic, no podem distingir en quin moment estem.

“En quantificar la relació entre les diferents parts del cervell es trenca la simetria”, explica Deco. “Si moc la sèrie de senyals cap endavant i cap enrere, i els comparo com vaig fer amb les pel·lícules, podré saber de quin sistema es tracta: un de reversible és no jeràrquic. Un no reversible és un sistema jeràrquic”.

Aplicant-ho, els investigadors van veure que la tècnica és un bon biomarcador de la consciència cerebral. Als experiments en humans, les dades del fMRI van mostrar que hi ha diferències entre l'estat de descans i la vigília i quan fem tasques cognitives. “Vam veure que a mesura que fem més tasques cognitives, tenim més no reversibilitat, és a dir el sistema és més jeràrquic i, al revés, en no estar conscients, la no reversibilitat baixa, és a dir que el sistema és menys jeràrquic”, continua Deco. “Aquest biomarcador és molt bo ja que és molt sensible i ens està dient que hi ha un mecanisme al darrere, i això serveix molt per poder classificar els diferents estats cerebrals, especialment aquells en què el consens no és clar, com per exemple el coma”.

Es tracta d'un tema molt pràctic ja que la classificació dels estats ajuda a definir els tractaments i les expectatives que pot tenir un pacient. Tenir un bon biomarcador que caracteritzi qualsevol tipus de malaltia neuropsiquiàtrica, o accidents cerebrovasculars, infart i fins i tot depressió és el primer pas. “Després cal modelar-lo i utilitzar el model in silico per provar totes les pertorbacions que siguin possibles i que a més siguin individualitzades, per a cada persona, per determinar el millor pla dacció per a la teràpia de cada pacient. Aquest tipus d'aproximació té un gran interès translacional, és a dir, aplicar resultats d'aquesta recerca bàsica a la indústria”, acaba.

Article de referència:

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

Multimèdia

Multimedia

Multimedia

Categories:

ODS - Objectius de desenvolupament sostenible:

ODS - Objetivos de desarrollo sostenible:

SDG - Sustainable Development Goals:

03. Salut i benestar
Els ODS a la UPF Los ODS en la UPF The ODS at UPF

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