Disección funcional in silico del cerebro durante el ciclo natural vigilia-sueño
Planteamiento general seguido para la construcción del modelo semiempírico. Crédito: UPF
El cerebro humano es un sistema complejo formado por 1010 unidades no lineales (neuronas) que interactúan en 1015 sitios (sinapsis). Teniendo en cuenta un nivel tan asombroso de complejidad y heterogeneidad, sorprende que la dinámica global del cerebro se autoorganice en un conjunto discreto de estados bien definidos.
Estos estados se colocan con frecuencia a lo largo de un continuo unidimensional. Este continuo corresponde al nivel de conciencia, que se reduce en estados como el sueño, la anestesia general o los trastornos poscomatosos. La intuición detrás del concepto de ‘nivel de conciencia’ es que la conciencia es graduada y uniforme.
Una alternativa a esta concepción es la caracterización multidimensional y mecanicista de los estados cerebrales en términos de capacidades cognitivas, usando modelos computacionales para reproducir la dinámica neuronal subyacente.
Este es el enfoque de un estudio publicado en la edición avanzada en línea de la revista NeuroImage. En este estudio internacional, el primer autor es Ignacio Pérez Ipia, investigador del Departamento de Física de la Universidad de Buenos Aires, quien contó con la colaboración de Gustavo Deco, profesor investigador ICREA del Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (DTIC) y director del Center for Brain and Cognition (CBC), de la UPF, junto con otros investigadores de centros de investigación y universidades de Alemania, Argentina, Australia, Chile, Dinamarca y Reino Unido.
El protocolo experimental contó con la participación por una cohorte de 63 sujetos sanos. «Exploramos esta alternativa mediante la introducción de un modelo semiempírico que vincula la activación regional y la conectividad funcional de largo alcance en los diferentes estados cerebrales estudiados durante el ciclo natural de vigilia-sueño», afirman los autores. «Nuestro modelo combina datos de imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI), estimaciones in vivo de la conectividad estructural y antecedentes anatómicamente informados para restringir la variación independiente de la activación regional», agregan.
La segregación funcional de la El cerebro humano en sistemas que se activan diferencialmente durante la cognición se conoce desde los primeros días de la neurología, y este conocimiento avanzó enormemente con la introducción de herramientas de neuroimagen no invasivas. Debido a esta especialización, incluso si diferentes estados cerebrales provocan cambios globales en el metabolismo cerebral, es probable que las consecuencias funcionales de estos cambios manifiesten dependencia regional. Así, «realizamos una simulación computacional de la conectividad funcional para los diferentes niveles de activación en la progresión de la vigilia al sueño profundo», aclara Gustavo Deco.
El mejor ajuste computacional a los datos empíricos se logró usando datos basados en anteriores en redes funcionalmente coherentes, con los parámetros del modelo resultante dividiendo la corteza en regiones que presentan un comportamiento dinámico opuesto. En este estudio, las regiones frontoparietales se acercaron a una bifurcación de la dinámica en un punto fijo gobernado por el ruido, mientras que las regiones sensoriomotoras se acercaron a una bifurcación de la dinámica oscilatoria
«De acuerdo con los experimentos electrofisiológicos humanos, el inicio del sueño indujo la desactivación subcortical, que se invirtió posteriormente para etapas más profundas. Simulamos perturbaciones externas e identificamos las regiones clave relevantes para la recuperación de la vigilia del sueño profundo. Nuestro modelo representa el sueño como un estado con una activación perceptiva disminuida y la capacidad latente de accesibilidad global que se requiere para un rápido despertares», explica Deco.
En conclusión, los autores del estudio implementaron un modelo computacional que sintetiza diferentes fuentes de datos empíricos para lograr una descripción mecánica y multidimensional de la complejidad intermedia de los diferentes estados cerebrales visitados durante la progresión de la vigilia al sueño profundo. Esta investigación muestra que usando el modelo propuesto, los estados de conciencia se pueden describir en términos de múltiples dimensiones con interpretaciones dadas por la elección de antecedentes informados anatómicamente.
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Los científicos predicen las áreas del cerebro para estimular las transiciones entre diferentes estados cerebrales Más información: Ignacio Perez Ipia et al, Modeling regional changes in Dynamic Stability during Sleep and Wakewall, NeuroImagen (2020). DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.116833 Información de la revista: NeuroImage
Proporcionado por Universitat Pompeu Fabra – Barcelona Cita: Disección funcional in silico del cerebro durante el proceso natural ciclo de despertar-dormir (2020, 30 de junio) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-06-funcional-silico-brain-natural-wake-sleep.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.