Conocer los ritmos cerebrales es fundamental para saber el correcto funcionamiento del sistema nervioso central. La propuesta de una teoría mecanicista para explicar la aparición de los ritmos cerebrales, que podría contribuir a diseñar estrategias terapéuticas más precisas, es el tema central de un artículo publicado recientemente en la revista Nature Communications Physics por un equipo internacional de investigadores, cuyo autor principal es el director del Center for Brain and Cognition de la UPF, Gustavo Deco.
El artículo expone cómo el cerebro mantiene el ritmo a través de un modelo mecánico simple con el que describen el comportamiento de estas ondas. La comprensión de la aparición de los ritmos cerebrales podría permitir el diseño de estrategias terapéuticas más precisas destinadas a modular la actividad cerebral oscilatoria disfuncional.
En este sentido, debe tenerse en cuenta que los principios fundamentales que coordinan estas ondas en el campo electromagnético del cerebro todavía no se conocen a fondo, lo que limita el avance de las estrategias terapéuticas para reequilibrar los ritmos patológicos. Por eso, la aportación de la investigación recogida por este artículo científico es relevante desde el punto de vista clínico.
La aparición espontánea no resuelta de oscilaciones colectivas llamadas ritmos cerebrales es característica de los registros de electroencefalografía (EEG) y magnetoencefalografía (MEG).
El estudio simula la red cerebral con la utilización de 90 osciladores amortiguados
La búsqueda de este equipo internacional muestra que los patrones de los ritmos cerebrales detectados en los registros de EEG y MEG pueden explicarse por analogía con otros fenómenos naturales que se observan a múltiples niveles y escalas de la naturaleza, en los que los sistemas de unidades que interactúan, ya sean moléculas, células o incluso seres vivos, se involucran en un comportamiento colectivo. Los autores muestran que el principio de sincronización es suficiente para producir ondas de señales electromagnéticas similares a los ritmos cerebrales conocidos.
RED CEREBRAL CON 90 OSCILADORES AMORTIGUADOS
El estudio simula la red cerebral con la utilización de 90 osciladores amortiguados acoplados mediante el conectoma estructural del cerebro para modelar y explicar matemáticamente cómo se pueden generar ondas colectivas con frecuencias y duraciones cualitativamente similares a las detectadas en el cerebro.
Mediante este sistema, se ha podido demostrar que los mecanismos de sincronización pueden explicar bien esas oscilaciones colectivas y que los cambios sutiles en los parámetros del modelo pueden explicar diferentes características del EEG.
“En este modelo matemático de la red cerebral, los pocos milisegundos que tardan las señales en viajar de una región cerebral a otra son cruciales para generar ondas colectivas de actividad”, explica Joana Cabral, de la Universidad de Minho en Portugal.
“Podemos imaginar las olas humanas en un estadio, donde el tiempo que tarda la ola colectiva en dar la vuelta al estadio depende del número de personas y del tiempo de reacción entre ellas. Este fenómeno está predicho por las leyes generales que rigen la sincronización de los osciladores junto con los retrasos de tiempo y abre puertas para comprender qué determina los ritmos detectados experimentalmente en el cerebro”, agrega Joana Cabral, que se doctoró en la UPF.
Las señales generadas por el modelo demuestran la existencia de un rango crítico de acoplamiento en el que el sistema no es ni completamente sincrónico ni asincrónico, pero algunos subconjuntos de áreas cerebrales se sincronizan transitoriamente impulsando la aparición espontánea de ondas colectivas similares a las detectadas con EEG y MEG. "Los sistemas dinámicos que operan en este régimen crítico son los más sensibles a las perturbaciones, lo que aumenta la capacidad de procesamiento de la información", explica el investigador principal Gustavo Deco, director del Center for Brain and Cognition de la UPF.