En un nuevo estudio neurocientífico de tour de force, dirigido por el Centro para el Cerebro y la Cognición (CBC) de la UPF y el Centro para la Eudaimonia y el Florecimiento Humano de la Universidad de Oxford, los investigadores descubrieron que la transferencia eficiente de información en todo el cerebro depende de la turbulencia. Este estudio mide directamente con magnetoencefalografía la turbulencia en la dinámica cerebral neuronal rápida.

Originalmente acuñada como "turbolenza" por Leonardo DaVinci hace más de 500 años, la turbulencia ha demostrado ser omnipresente en la naturaleza como un régimen dinámico esencial que facilita la energía y la transferencia eficiente de información a través de escalas espaciotemporales.

Este es el resultado de un estudio realizado por investigadores del CBC de la UPF, la Universidad de Oxford y también la Universidad de Indiana, cuyos resultados se presentan en el artículo “The effect of turbulence in brain dynamics information transfer”, publicado recientemente en la revista Nature de alto impacto Communications Physics. Los coautores del artículo son Gustavo Deco (CBC-UPF), Samuel Liebana Garcia (Universidad de Oxford), Yonatan Sanz Perl (CBC-UPF), Olaf Sporns  (Universidad de Indiana) y Morten L. Kringelbach (Universidad de Ofxord).

Nuevo biomarcador basado en la turbulencia

El nuevo hallazgo fundamental de la turbulencia como clave para el procesamiento de la información en el cerebro humano se puede utilizar para construir nuevos biomarcadores de enfermedades. La turbulencia es algo que la mayoría de la gente asocia principalmente con remolinos o con experiencias aterradoras a bordo de aviones. Pero, ante todo, la turbulencia es un principio fundamental en la naturaleza que proporciona las propiedades de mezcla óptimas, lo que permite la transferencia eficiente de energía e información en el espacio y el tiempo. Se ha demostrado que la turbulencia es la forma óptima de enviar energía en cascada a través del espacio-tiempo en muchas escalas y, como tal, es un principio organizador fundamental de los sistemas físicos.

Esto tiene implicaciones prácticas importantes, como la idea de que es mucho mejor usar agitación turbulenta durante la cocción, ya que esto ayuda a mezclar los ingredientes de manera óptima. Del mismo modo, la turbulencia también se utiliza para encontrar formas más eficientes desde el punto de vista energético para mejorar las plantas químicas, los aviones y los molinos de viento.

La nueva medida de metaestabilidad local mide los cambios en los movimientos dinámicos continuos de los flujos eléctricos de las neuronas en una escala espacial y temporal. Esta nueva medida es lo que constituye el nuevo biomarcador para detectar enfermedad neuropsiquiátrica o para diferenciar distintos estados cerebrales, tal como explica el autor principal del artículo e investigador del CBC de la UPF, el profesor Gustavo Deco: “En este estudio hemos creado un nueva perspectiva para analizar la dinámica cerebral, que permite generar nuevos biomarcadores potencialmente útiles en neuropsiquiatría”. El profesor Morten L. Kringelbach (Universidad de Ofxord), investigador principal, agrega: "Los resultados brindan nuevos conocimientos fundamentales sobre cómo la turbulencia y, en general, la termodinámica, son los principios clave que permiten que el cerebro sobreviva y prospere".

La creación de esta nueva unidad de medida ha sido fundamental para poder estudiar con mayor precisión que en investigaciones anteriores cómo la información y la energía se transmiten de manera eficiente dentro del cerebro a través de turbulencias neuronales. Anteriormente, la turbulencia se había medido mediante resonancia magnética funcional, que es una medida indirecta y lenta de la actividad neuronal, que depende de los niveles de oxigenación en la sangre. Como tal, la IRMf (resonancia magnética funcional) no mide directamente las señales eléctricas de las neuronas y las captura con un retraso (o latencia), que corresponde al tiempo que tarda la sangre en responder a las señales cerebrales.

La primera vez que se muestra la turbulencia en dinámicas rápidas de todo el cerebro

Para superar las limitaciones de la resonancia magnética funcional, los investigadores han utilizado la técnica de la magnetoencefalografía (MEG) para analizar la turbulencia en el cerebro en su conjunto. La MEG mide directamente las señales eléctricas de las neuronas en milisegundos -y, por lo tanto, las captura de inmediato-, capturando escalas de tiempo rápidas de la dinámica cerebral en milisegundos, en comparación con los segundos de la IRMf. Sin embargo, la precisión espacial de MEG es solo de alrededor de 5 mm3, que no es tan alta como el 1 mm3 que ofrece fMRI.

Este nuevo sistema de medición se ha aplicado a la actividad cerebral en las regiones corticales de 89 personas sanas. Los resultados utilizan el modelado de todo el cerebro para demostrar que la turbulencia cerebral es fundamental para transmitir información y energía de manera eficiente dentro del cerebro tanto en el espacio como en el tiempo.

De cara al futuro, los investigadores planean probar este nuevo biomarcador sensible basado en la turbulencia también en regiones subcorticales. Estas son regiones del cerebro importantes en las causas del Parkinson o la enfermedad de Huntington. Si bien sus efectos también se encuentran en la corteza cerebral, el examen de las regiones subcorticales podría avanzar aún más en el diagnóstico temprano y la posible prevención o tratamiento de estas enfermedades.

Artículo de referencia:

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