Experimentos neurocientíficos realizados en los últimos diez años han demostrado que el cerebro permanece activo incluso cuando se encuentra en reposo. La actividad del órgano cerebral en reposo, es decir, sin la presencia de algún estímulo o tarea, está estructurada y responde a unos determinados patrones o redes espaciotemporales: las llamadas redes en estado de reposo o resting-state networks. Mientras está en reposo, el cerebro está en un estado constante de exploración interna, a través de la formación y disolución periódica de estas redes funcionales.

Analizar las redes neuronales de una persona en estado de reposo puede mejorar el diagnóstico de determinadas enfermedades o trastornos psiquiátricos, ya que puede existir alguna relación entre los trastornos del funcionamiento de las redes con las lesiones cerebrales que causan problemas cognitivos de la memoria, la atención, el movimiento y el habla.

Un equipo internacional de investigadores ha creado un modelo matemático basado en la actividad de las células del cerebro y de las muchas conexiones que dichas células hacen con sus células vecinas y con las células de otras regiones del cerebro. Los científicos esperan que el modelo desarrollado ayudará a entender por qué ciertas partes del cerebro trabajan juntas no solo en reposo sino también durante las tareas cognitivas. Esto, a su vez, podría algún día ayudar a un mejor diagnóstico y tratamiento de las lesiones cerebrales.

El modelo ha sido desarrollado y probado por científicos de la Universidad Pompeu Fabra y de la Facultad de Medicina de la Universidad Washington en San Luis (Misuri, Estados Unidos). También han colaborado científicos de diferentes universidades europeas, ETH Zurich y Lausana (Suiza), Oxford (Reino Unido) y la Universidad de Annunzio (Chieti, Italia). Los resultados de este estudio científico se han publicado recientemente en la edición digital de la revista The Journal of Neuroscience.

"Podemos configurar nuestro modelo virtual como si hubiera sufrido una lesión fruto de un accidente cerebrovascular o de un cáncer de cerebro, deshabilitando grupos de células virtuales para ver cómo se ve afectada la función cerebral", comenta el autor principal del trabajo, Maurizio Corbetta, profesor de Neurología de la Facultad de Medicina de la Universidad Washington en San Luis (Misuri, Estados Unidos). "También podemos probar maneras de impulsar los patrones de actividad para que vuelvan a la normalidad."

El nuevo modelo matemático ha sido desarrollado para ayudar a los científicos a aprender cómo la estructura anatómica del cerebro contribuye a la creación y mantenimiento de las redes en estado de reposo. Los investigadores comenzaron con un proceso para simular pequeños grupos de neuronas, incluyendo factores que aumentan o disminuyen la probabilidad de que un grupo de células enviara una señal.

"En cierta forma, tratamos pequeñas regiones del cerebro como unidades cognitivas: no como células individuales, sino como grupos de células", comenta Gustavo Deco, coautor del estudio e investigador ICREA del DTIC-UPF, que dirige elCenter for Brain and Cognition y el Grupo de Neurociencia Computacional de la Universidad Pompeu Fabra. "La actividad de estas unidades cognitivas envía señales excitadoras a las otras unidades a través de conexiones anatómicas. Esto hace que las unidades conectadas sean más o menos propensas a sincronizar sus señales", añade.

El modelo virtual de cerebro desarrollado se basa en imágenes del cerebro obtenidas mediante resonancia magnética. Para conseguirlo, los investigadores han ensamblado 66 regiones cerebrales, y las interconectan siguiendo los patrones anatómicos similares a las conexiones existentes en el cerebro humano. Los datos anatómicos fueron obtenidos usando nuevas técnicas de resonancia magnética, cuyo objetivo es detectar las fibras nerviosas que conectan cada región del cerebro.

Los científicos configuraron el modelo de manera que las unidades individuales pasaran por el proceso de señalización en las frecuencias bajas al azar que habían sido observadas en las células del cerebro durante las grabaciones de la actividad cerebral en reposo.

A continuación, los investigadores permiten que el modelo funcione, cambiando poco a poco el acoplamiento, o la fuerza de las conexiones entre las unidades. Con un valor de acoplamiento específico, las interconexiones entre las unidades que envían impulsos pronto comenzaron a crear patrones coordinados de actividad.

"A pesar de que empezamos las unidades cognitivas con bajos niveles de actividad al azar, las conexiones de las unidades permiten sincronizar", explica Deco. "El patrón espacial de la sincronización que observamos se aproxima mucho -alrededor del 50 por ciento- a los patrones que vemos en las exploraciones de cerebros humanos en reposo. Es un porcentaje alto, teniendo en cuenta la complejidad del fenómeno y las limitaciones técnicas para obtener los datos anatómicos".

Al principio, simular veinte minutos de actividad cerebral humana en el modelo virtual requirió la conexión en paralelo de un grupo de potentes ordenadores durante 26 horas. Pero los investigadores fueron capaces de simplificar el modelo matemático para que sea posible ejecutar el modelo en un ordenador normal.

"Este modelo de todo el cerebro más simple nos permite probar una serie de hipótesis sobre cómo las conexiones estructurales generan dinámicas de la función cerebral en reposo y durante las tareas, y cómo el daño cerebral afecta la dinámica del cerebro y la función cognitiva", concluye Corbetta.

Este estudio científico ha recibido financiación de la Fundación James S. McDonnell (Estados Unidos), la Fundació "La Marato" (Cataluña), el programa europeo FP7-ICT BrainScales y del ERC (European Research Council).

Trabajo de referencia: 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