La forma en que el cerebro hace lo que hace es más compleja de lo que sugiere la anatomía por sí misma

El funcionamiento del cerebro sigue siendo un rompecabezas con solo unas pocas piezas en su lugar. De estos, una gran pieza es en realidad una conjetura: que existe una relación entre la estructura física del cerebro y su funcionalidad.

Los trabajos del cerebro incluyen la interpretación del tacto, las entradas visuales y sonoras, así como el habla, el razonamiento, las emociones, el aprendizaje, el control preciso del movimiento y muchos otros. Los neurocientíficos suponen que es la anatomía del cerebro con sus cientos de miles de millones de fibras nerviosas lo que hace posible todas estas funciones. Los «cables vivos» del cerebro están conectados en elaboradas redes neurológicas que dan lugar a las asombrosas habilidades de los seres humanos.

Parecería que si los científicos pudieran mapear las fibras nerviosas y sus conexiones y registrar el tiempo de los impulsos que fluyen a través de ellos para una función superior como la visión, deberían poder resolver la cuestión de cómo se ve, por ejemplo. Los investigadores están mejorando en el mapeo del cerebro usando tractografía, una técnica que representa visualmente las rutas de las fibras nerviosas usando modelos 3-D. Y están mejorando en el registro de cómo la información se mueve a través del cerebro mediante el uso de imágenes de resonancia magnética funcional mejorada para medir el flujo sanguíneo.

Pero a pesar de estas herramientas, nadie parece estar mucho más cerca de averiguar cómo realmente ver La neurociencia solo tiene una comprensión rudimentaria de cómo encaja todo.

Para abordar esta deficiencia, la investigación de bioingeniería de mi equipo se centra en las relaciones entre la estructura y la función del cerebro. El objetivo general es explicar científicamente todas las conexiones, tanto anatómicas como inalámbricas, que activan diferentes regiones del cerebro durante las tareas cognitivas. Estamos trabajando en modelos complejos que capturan mejor lo que los científicos saben sobre la función cerebral.

En última instancia, una imagen más clara de la estructura y la función puede afinar las formas en que la cirugía cerebral intenta corregir la estructura y, a la inversa, la medicación intenta para corregir la función.

Puntos de acceso inalámbrico en la cabeza

Las funciones cognitivas, como el razonamiento y el aprendizaje, utilizan varias regiones cerebrales distintas en una secuencia de tiempo. La anatomía por sí sola, las neuronas y las fibras nerviosas, no puede explicar la excitación de estas regiones, al mismo tiempo o en tándem.

Algunas conexiones son en realidad «inalámbricas». Estas son conexiones eléctricas de campo cercano y no las conexiones físicas capturadas en los tractogramas.

Mi equipo de investigación ha trabajado durante varios años detallando los orígenes de estas conexiones inalámbricas y midiendo sus intensidades de campo. Una analogía muy simple de lo que sucede en el cerebro es cómo funciona un enrutador inalámbrico. Internet se entrega a un enrutador a través de una conexión por cable. Luego, el enrutador envía la información a su computadora portátil mediante conexiones inalámbricas. El sistema general de transferencia de información funciona gracias a las conexiones por cable e inalámbricas.

En el caso del cerebro, las células nerviosas conducen impulsos eléctricos a través de largos brazos filiformes llamados axones desde el cuerpo celular hasta otras neuronas. En el camino, las señales inalámbricas se emiten naturalmente desde porciones no aisladas de las células nerviosas. Estos puntos que carecen del aislamiento protector que envuelve el resto del axón se denominan nódulos de Ranvier.

Los nódulos de Ranvier permiten que los iones cargados se difundan dentro y fuera de la neurona, propagando la señal eléctrica por el axón. . A medida que los iones entran y salen, se generan campos eléctricos. La intensidad y estructura de estos campos depende de la actividad de la célula nerviosa.

Aquí en el Centro Global para Redes Neurológicas nos estamos enfocando en cómo estas señales inalámbricas funcionan en el cerebro para comunicar información.

El flujo de información a través del cerebro es mucho más complejo y dinámico de lo que puede representar adecuadamente un modelo 2-D.

El mundo no lineal del cerebro

Las investigaciones sobre cómo las regiones cerebrales excitadas coinciden con las funciones cognitivas cometen otro error cuando se basan en suposiciones que conducen a modelos demasiado simples.

Los investigadores tienden a modele la relación como lineal con una sola variable, midiendo el tamaño promedio de la respuesta de una sola región del cerebro. Es la lógica detrás del diseño del primer audífono si la voz de una persona se vuelve el doble de fuerte, el oído debería responder el doble.

Pero los audífonos han mejorado mucho a lo largo de los años a medida que los investigadores han mejorado Comprenda que el oído no es un sistema lineal y que se necesita una forma de compresión no lineal para hacer coincidir los sonidos generados con la capacidad del oyente. De hecho, la mayoría de los seres vivos no tienen sistemas de detección que respondan de manera lineal, uno a uno, a los estímulos.

Los modelos lineales asumen que si la entrada a un sistema se duplica, la salida de ese El sistema también se duplicará. Esto no es cierto para los modelos no lineales, donde pueden existir muchos valores de salida para un solo valor de la entrada. Y la mayoría de los científicos están de acuerdo en que los cálculos neuronales son, de hecho, no lineales.

Una pregunta crucial para comprender el vínculo entre el cerebro y el comportamiento es cómo decide el cerebro el mejor curso de acción entre alternativas en competencia. Por ejemplo, la corteza frontal del cerebro toma decisiones óptimas al calcular muchas cantidades o variables que calculan el pago potencial, la probabilidad de éxito y el costo en términos de tiempo y esfuerzo. Dado que el sistema no es lineal, duplicar el beneficio potencial puede hacer que una decisión final sea mucho más probable que dos veces.

Los modelos lineales pierden la rica variedad de posibilidades que pueden ocurrir en la función cerebral, especialmente aquellas más allá de lo que sugeriría la estructura anatómica. Es como la diferencia entre una representación bidimensional y tridimensional del mundo que nos rodea.

Los modelos lineales actuales simplemente describen el nivel promedio de excitación en una región del cerebro, o el flujo a través de una superficie cerebral. Esa es mucha menos información que la que mis colegas y yo usamos cuando construimos nuestros modelos no lineales a partir de imágenes de resonancia magnética funcional mejorada y datos de bioimagen eléctrica de campo cercano. Nuestros modelos proporcionan una imagen tridimensional del flujo de información a través de las superficies del cerebro y hacia las profundidades de este y nos acercan a representar cómo funciona todo.

Anatomía normal, disfunción fisiológica

Mi equipo de investigación está intrigado por el hecho de que las personas con estructuras cerebrales de aspecto totalmente normal aún pueden tener problemas funcionales importantes.

Como parte de nuestra investigación sobre la disfunción neurológica, visitamos a personas en hospicios, grupos de apoyo por duelo , instalaciones de atención de rehabilitación, centros de trauma y hospitales de cuidados intensivos. Siempre nos sorprendemos al darnos cuenta de que las personas que han perdido a sus seres queridos pueden presentar síntomas similares a los de los pacientes diagnosticados con la enfermedad de Alzheimer.

El duelo es una serie de respuestas emocionales, cognitivas, funcionales y conductuales ante la muerte u otro tipo de pérdida. No es un estado, sino más bien un proceso que puede ser temporal o continuo.

Los cerebros de apariencia saludable de quienes sufren un duelo fisiológico no tienen los mismos problemas anatómicos, incluidas regiones cerebrales encogidas y conexiones interrumpidas entre las redes de neuronas que se encuentran en las de las personas con la enfermedad de Alzheimer.

Creemos que este es solo un ejemplo de cómo los puntos calientes del cerebro, esas conexiones que no son físicas, más la riqueza del funcionamiento no lineal del cerebro pueden conducir a resultados que no t ser predicho por un escáner cerebral. Es probable que haya muchos más ejemplos.

Estas ideas pueden señalar el camino hacia la mitigación de afecciones neurológicas graves a través de medios no invasivos. La terapia de duelo y los dispositivos eléctricos de neuromodulación de campo cercano no invasivos pueden reducir los síntomas asociados con la pérdida de un ser querido. Quizás estos protocolos y procedimientos deberían ofrecerse más ampliamente a los pacientes que sufren de disfunción neurológica donde las imágenes revelan cambios anatómicos. Podría salvar a algunas de estas personas de procedimientos quirúrgicos invasivos.

Diagramando todos los enlaces no físicos del cerebro utilizando nuestros avances recientes en el mapeo eléctrico de campo cercano y empleando lo que creemos que son modelos no lineales de muchas variables biológicamente realistas, nos acercará un paso más a donde queremos ir. Una mejor comprensión del cerebro no solo reducirá la necesidad de procedimientos operativos invasivos para corregir el funcionamiento, sino que también conducirá a mejores modelos de lo que el cerebro hace mejor: computación, memoria, redes y distribución de información.

Explore más

Cómo cambian las redes cerebrales con la edad Proporcionado por The Conversation

Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.

Cita: Cómo los cerebros hacen lo que hacen es más complejo de lo que sugiere la anatomía por sí sola (2020, 16 de julio) consultado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/ 2020-07-brains-complex-anatomy.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.