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Neurocientíficos de la Universidad de Indiana vinculan la estructura de red a la actividad espontánea en el cerebro

Los neurocientíficos de la Universidad de Indiana Olaf Sporns y Christopher Honey encontraron que el 98 por ciento de la actividad cerebral que otros investigadores consideran sólo ruido de fondo es algo importante y fascinante.

Los cerebros siempre están activos, incluso cuando la gente está descansando. En este “estado de reposo”, las ondas de la actividad neuronal oscilan a través del cerebro, creando patrones fluctuantes y cambiantes en todo momento. El trabajo de Sporns y Honey en el modelado de esta actividad cerebral arroja una nueva luz sobre cómo y cuándo tienen lugar estas misteriosas fluctuaciones y ofrecen pistas sobre qué hace el cerebro cuando está en espera.

“Alguna gente ve el cerebro en términos de entradas y salidas, como un ordenador. Si proporcionas una entrada, tendrás una salida concreta”, dijo Honey, estudiante de doctorado en la IU en el Departamento de Ciencias Psicológicas y Cerebrales de Bloomington. “Nosotros tomamos una visión distinta. Creemos que incluso en ausencia de estímulos externos, existen procesos muy importantes en el cerebro que afectan a las respuestas a estímulos que produce el cerebro. Creemos que la actividad espontánea actual debería estudiarse por sí misma. Otros investigadores consideran que este es un “ruido” poco importante que deberíamos filtrar”.

Honey y Sporns, profesor asociado en el Departamento de Ciencias Psicológicas y Cerebrales, tomaron una visión más cercana de la actividad espontánea del cerebro en reposo. Con su aproximación computacional – que involucra crear un modelo por ordenador a gran escala del cerebro de un macaco – demostraron que la forma y patrón de las fluctuaciones están determinados por el diagrama de cableado del cerebro, su neuroanatomía.

Su modelo también puede demostrar cómo fluctuaciones lentas de 5 a 10 segundos de actividad surgen de forma natural mucho más rápido que las interacciones neuronales caóticas que duran generalmente sólo unos pocos milisegundos.

“Nuestro modelo sugiere que el estado de reposo cortical no es invariante en el tiempo, sino que contiene una rica e interrelacionada estructura temporal a múltiples escalas de tiempo a la que da forma la topología estructural subyacente”, escribieron Sporns y Honey en un artículo que apareció esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences en su edición avanzada on-line.

El artículo, que está disponible en http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0701519104, incluye un enlace a una película que visualiza cómo se verían las fluctuaciones espontáneas en el cerebro del mono. Los coautores del artículo son Rolf Kötter, neuroanatomista de la Universidad de Radboud en Nijmegen Holanda, y Michael Breakspear, neurocientífico cognitivo en la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia.

Cuando una persona lee un libro o habla con un amigo, las tareas relacionadas con la actividad neuronal tienen lugar en distintas regiones del cerebro, pero esta actividad sólo cuenta aproximadamente de un 2 a un 5 por ciento de la actividad total del cerebro. Las fluctuaciones de magnitud similar – las estudiadas por Sporns y Honey – tienen lugar cuando una persona está en reposo, sin hacer nada.

La naturaleza de estas “fluctuaciones de estado de reposo” es un tema activo en la investigación en la neurociencia cognitiva, provocando con su misterioso origen que un prominente investigador la etiquetase como “la energía oscura del cerebro”, dijo Sporns. Hasta ahora, nadie sabe por qué tienen lugar estas fluctuaciones o cuál puede ser su función.

Sporns y Honey sugieren que una mirada más cercana a la estructura del cerebro podría proporcionar una nueva perspectiva.

A pesar de la enorme cantidad de trabajo realizado por los neurocientíficos, se sabe relativamente poco sobre cómo está estructurado el cerebro humano – cómo, por ejemplo, los cientos (el número es desconocido) de regiones del cerebro humano están conectadas. El modelo de ordenador creado por Sporns y Honey sugiere que este mismo patrón de conectividad es crucial para generar y dar forma a la actividad cerebral en un cerebro activo y en reposo.

El trabajo empírico sobre el cerebro humano es un reto debido al hecho de que por lo intrincado del mismo no es posible manipularlo y observarlo simplemente. Sporns y Honey comparan el estudio del cerebro con el estudio de otros sistemas complejos como el metabolismo celular, la economía o el cambio climático global. Los modelos deben usarse para probar teorías y generar pistas sobre cómo funciona el sistema a nivel global.

Y aunque las tecnologías como las IRM funcionales permiten a los científicos medir ciertas clases de conectividad neuronal, la aproximación neuroinformática, que usa conjuntos de datos extensivos anatómicos y fisiológicos para describir el cerebro del macaco, permitió a Sporns y Honey recuperar datos de toda la actividad que tuvo lugar durante las simulaciones.

Sporns dijo que deseaba crear un modelo similar a gran escala de un cerebro humano que le permita estudiar las grandes redes y conectividades, una vez que estén disponibles los conjuntos de datos necesarios sobre cómo están estructuradas las redes neuronales.

Un modelo por ordenador de nuestro cerebro humano ayudaría a los científicos a comprender mejor de dónde vienen estas fluctuaciones de estado de reposo. También les permitiría enlazar la actividad neuronal al rendimiento cognitivo y del comportamiento y hacer preguntas sobre las diferencias en los cerebros de cada individuo.

Sporns dijo que esta investigación podría llevar a aplicaciones clínicas, ofreciendo nuevas herramientas de diagnóstico para desórdenes cerebrales tales como la enfermedad de Alzheimer que se sabe que afecta a las conexiones cerebrales. También podría ayudar a explicar por qué los humanos no piensan igual.

“Si las fluctuaciones en la actividad cerebral están guiadas por la anatomía”, dijo Sporns, “entonces las diferencias individuales en el pensamiento de la gente y lo que piensan podría tener sus raíces en cómo están conectados los cerebros”.

La investigación fue financiada por la Fundación James S. McDonnell.