Experiments neurocientífics realitzats en els últims deu anys han demostrat que el cervell roman actiu fins i tot quan es troba en repòs. L'activitat de l'òrgan cerebral en repòs, és a dir, sense la presència d'algun estímul o tasca, està estructurada i respon a uns determinats patrons o xarxes espai temporals: les anomenades xarxes en estat de repòs o resting-state networks. Mentre està en repòs, el cervell està en un estat constant d'exploració interna, a través de la formació i dissolució periòdica d'aquestes xarxes funcionals.

Analitzar les xarxes neuronals d'una persona en estat de repòs pot millorar el diagnòstic de determinades malalties o trastorns psiquiàtrics, ja que pot existir alguna relació entre els trastorns del funcionament de les xarxes amb les lesions cerebrals que causen problemes cognitius de la memòria, l'atenció, el moviment i la parla.

Un equip internacional d'investigadors ha creat un model matemàtic basat en l'activitat de les cèl·lules del cervell i de les moltes connexions que aquestes cèl·lules fan amb cèl·lules veïnes i amb les d'altres regions del cervell. Els científics esperen que el model desenvolupat ajudarà a entendre per què certes parts del cervell treballen juntes no només en repòs, sinó també durant les tasques cognitives. Això, al seu torn, podria algun dia ajudar a un millor diagnòstic i tractament de les lesions cerebrals.

El model ha estat desenvolupat i provat per científics de la Universitat Pompeu Fabra i de la Facultat de Medicina de la Universitat Washington a San Luis (Missouri, Estats Units). També han col·laborat científics de diferents universitats europees, ETH Zurich i Lausanne (Suïssa), Oxford (Regne Unit) i la Universitat d'Annunzio (Chieti, Itàlia). Els resultats d'aquest estudi científic s'han publicat recentment en l'edició digital de la revista The Journal of Neuroscience.

"Podem configurar el nostre model virtual com si hagués patit una lesió fruit d'un accident cerebrovascular o d'un càncer de cervell, deshabilitant grups de cèl·lules virtuals per veure com es veu afectada la funció cerebral", comenta l'autor principal del treball, Maurizio Corbetta, professor de Neurologia de la Facultat de Medicina de la Universitat Washington en San Luis (Missouri, Estats Units). "També podem provar maneres d'impulsar els patrons d'activitat perquè tornin a la normalitat."

El nou model matemàtic ha estat desenvolupat per ajudar els científics a aprendre com l'estructura anatòmica del cervell contribueix a la creació i manteniment de les xarxes en estat de repòs. Els investigadors van començar amb un procés per simular petits grups de neurones, incloent factors que augmenten o disminueixen la probabilitat que un grup de cèl·lules enviés un senyal.

"En certa manera, tractem petites regions del cervell com a unitats cognitives: no com cèl·lules individuals, sinó com a grups de cèl·lules ", comenta Gustavo Deco, coautor de l'estudi i investigador ICREA del DTIC-UPF, que dirigeix el Center for Brain and Cognition y el Grup de Neurociencia Computacional de la Universitat Pompeu Fabra. "L'activitat d'aquestes unitats cognitives envia senyals excitadores a les altres unitats a través de connexions anatòmiques. Això fa que les unitats connectades siguin més o menys propenses a sincronitzar els seus senyals", afegeix.

El model virtual de cervell desenvolupat es basa en imatges del cervell obtingudes mitjançant ressonància magnètica. Per aconseguir-ho, els investigadors han acoblat 66 regions cerebrals, i les interconnecten seguint els patrons anatòmics similars a les connexions existents al cervell humà. Les dades anatòmiques van ser obtingudes utilitzant noves tècniques de ressonància magnètica, l'objectiu de les quals és detectar les fibres nervioses que connecten cada regió del cervell.

Els científics van configurar el model de manera que les unitats individuals passaran pel procés de senyalització a les freqüències baixes a l'atzar que havien estat observades en les cèl·lules del cervell durant els enregistraments de l'activitat cerebral en repòs.

A continuació, els investigadors permeten que el model funcioni, canviant a poc a poc l'acoblament, o la força de les connexions entre les unitats. Amb un valor d'acoblament específic, les interconnexions entre les unitats que envien impulsos aviat van començar a crear patrons coordinats d'activitat.

"Tot i que vam començar les unitats cognitives amb baixos nivells d'activitat a l'atzar, les connexions de les unitats permeten sincronitzar", explica Deco. "El patró espacial de la sincronització que observem s'aproxima molt -al voltant del 50 per cent- als patrons que veiem en les exploracions de cervells humans en repòs. És un percentatge alt, tenint en compte la complexitat del fenomen i les limitacions tècniques per obtenir les dades anatòmiques ".

Al principi, simular vint minuts d'activitat cerebral humana al model virtual requerir la connexió en paral · lel d'un grup de potents ordinadors durant 26 hores. Però els investigadors van ser capaços de simplificar el model matemàtic perquè sigui possible executar el model en un ordinador normal.

"Aquest model de tot el cervell més simple ens permet provar una sèrie d'hipòtesis sobre com les connexions estructurals generen dinàmiques de la funció cerebral en repòs i durant les tasques, i com el dany cerebral afecta la dinàmica del cervell i la funció cognitiva", conclou Corbetta.

Aquest estudi científic ha rebut finançament de la Fundació James S. McDonnell (Estats Units), la Fundació "La Marató" (Catalunya), el programa europeu FP7-ICT BrainScales i de l'ERC (European Research Council).

Treball de referència: Deco G., Ponce-Alvarez A., Mantini D., Romani GL., Hagmann P., Corbetta M. " Resting-State Functional Connectivity Emerges from Structurally and Dynamically Shaped Slow Linear Fluctuations". The Journal of Neuroscience, July 3, 2013 33(27):11239 -11252. doi:10.1523/JNEUROSCI.1091-13.2013