CIENCIA. Las arrugas características del cerebro humano ayudan a impulsar su funcionamiento

  Las ondas de actividad eléctrica se propagan por el cerebro en reposo en esta simulación.  JC Pang  et al./Nature Un modelo de la geometrí...

 

Las ondas de actividad eléctrica se propagan por el cerebro en reposo en esta simulación. JC Pang et al./Nature

Un modelo de la geometría del cerebro explica mejor la actividad neuronal que un modelo basado en el 'conectoma'.

01 junio 2023.- Durante más de 100 años, los científicos han acordado que conjuntos discretos de células cerebrales envían señales a otras áreas del cerebro a través de una serie de fibras interconectadas. En un nuevo estudio, los investigadores aplicaron un modelo matemático a la actividad cerebral y descubrieron que la función cerebral puede tener más que ver con la forma que con la conectividad.

Las arrugas que le dan al cerebro humano su familiar apariencia de nuez tienen un gran efecto en la actividad cerebral, de la misma manera que la forma de una campana determina la calidad de su sonido, según sugiere un estudio 1 . Los hallazgos van en contra de una teoría común sobre qué aspecto de la anatomía del cerebro impulsa la función.

Los autores del estudio compararon la influencia de dos componentes de la estructura física del cerebro: los pliegues externos de la corteza cerebral, el área donde ocurre la actividad cerebral de mayor nivel, y el conectoma, la red de nervios que une distintas regiones de la corteza cerebral

El equipo descubrió que la forma de la superficie exterior predecía mejor los datos de las ondas cerebrales que el conectoma, contrariamente al paradigma de que el conectoma tiene el papel dominante en la conducción de la actividad cerebral. “Usamos conceptos de física e ingeniería para estudiar cómo la anatomía determina la función”, dice el coautor del estudio James Pang, físico de la Universidad de Monash en Melbourne, Australia. Los resultados se publicaron en Nature el 31 de mayo 1 .

Charla cerebral

'Excitar' una neurona hace que se dispare, lo que envía un mensaje a otras neuronas. Las neuronas excitadas en la corteza cerebral pueden comunicar su estado de excitación a sus vecinos inmediatos en la superficie.

Pero cada neurona también tiene un filamento largo llamado axón que lo conecta a una región lejana dentro o más allá de la corteza, lo que permite que las neuronas envíen mensajes de excitación a células cerebrales distantes. En las últimas dos décadas, los neurocientíficos han mapeado minuciosamente esta red de conexiones, el conectoma, en una gran cantidad de organismos, incluidos los humanos.

Los autores querían entender cómo la actividad cerebral se ve afectada por cada una de las formas en que la excitación neuronal puede propagarse: a través de la superficie del cerebro o a través de interconexiones distantes. Para hacerlo, los investigadores, que tienen experiencia en física y neurociencia, aprovecharon la teoría matemática de las ondas.

Los fenómenos naturales incluyen muchos tipos de ondas, desde las ondas sísmicas que constituyen los terremotos hasta las ondas electromagnéticas de la luz. Pero todos estos fenómenos son capturados por la misma ecuación matemática simple. Esta ecuación permite a los investigadores calcular los patrones de ondas en una superficie basándose exclusivamente en su geometría. Estos patrones se pueden dividir en componentes fundamentales llamados modos, que se ven afectados por la geometría de un objeto.

Los investigadores han descubierto que la forma del cerebro puede tener una influencia más fuerte en el funcionamiento que las conexiones entre las células cerebrales. Depositphotos

Buenas vibraciones

Para las ondas de vibraciones que se propagan a través de una esfera, por ejemplo, los modos básicos incluyen un abultamiento que se mueve de un lado a otro desde el hemisferio superior al inferior y otro que viaja de izquierda a derecha. Pero una campana carece de un hemisferio inferior y por lo tanto tiene modos diferentes a los de una esfera. La geometría de un objeto también afecta las frecuencias características y el volumen relativo de sus modos.

La excitación neuronal del cerebro también puede venir en ondas, que pueden extenderse por el cerebro y viajar de regreso en oscilaciones periódicas.

Los investigadores calcularon los modos de propagación de ondas cerebrales para la superficie cortical y para el conectoma. Como modelo del conectoma, utilizaron información recopilada a partir de imágenes de resonancia magnética (IRM) de difusión, que representan la anatomía del cerebro. Luego analizaron los datos de más de 10 000 registros de resonancia magnética funcional, que refleja la actividad cerebral en función del flujo sanguíneo.

El análisis mostró que los modos de ondas cerebrales en el cerebro en reposo, así como durante una variedad de actividades, como durante el procesamiento de estímulos visuales, se explicaban mejor por el modelo de geometría de superficie que por el conectoma, encontraron los investigadores.

David Van Essen, neurocientífico de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, que dirige un proyecto de conectoma, dice que los datos de resonancia magnética de difusión que utilizó el equipo tienen inconvenientes bien documentados que hacen que la comparación "no sea justa". El equipo también debería haber observado la actividad cerebral a partir de estímulos simples que activan solo regiones locales de la corteza, según Van Essen. “Es extremadamente improbable que el modelo de ondas viajeras favorecido por los autores pueda replicar tales patrones”, dice.

Pang dice que sería interesante probar sus modelos con tales estímulos, y que los análisis que él y sus coautores han hecho hasta ahora son una "prueba de principio".

Para su estudio, los autores modelaron una estructura cerebral idealizada, pero se sabe que las circunvoluciones de la corteza, parecidas a una nuez, varían en forma de una persona a otra. Las técnicas de los autores podrían ayudar a explorar cómo tales variaciones afectan los modos correspondientes.

Fuente:

1. Pang, J.C., Aquino, K.M., Oldehinkel, M. et al. Geometric constraints on human brain function. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06098-1

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