Efectos dominó y sincronía en el inicio de las convulsiones
La actividad convulsiva puede fluir en cascada por el cerebro, como una fila de fichas de dominó que caen. Esta imagen de un cerebro de dominó fue creada para un video basado en este concepto. Crédito: Figura cortesía de Jennifer Creaser y Sprice Machines.
La epilepsia, una enfermedad neurológica que provoca convulsiones recurrentes con una amplia gama de efectos, afecta a aproximadamente 50 millones de personas en todo el mundo. Esta condición ha sido reconocida durante mucho tiempo. Los registros escritos de síntomas epilépticos se remontan al año 4000 a. C. Pero a pesar de esta larga historia de conocimiento y tratamiento, los procesos exactos que ocurren en el cerebro durante una convulsión siguen siendo difíciles de identificar.
Los científicos han observado patrones distintivos en la actividad eléctrica de grupos de neuronas en cerebros sanos. Las redes de neuronas se mueven a través de estados de comportamiento similar (sincronización) y comportamiento diferente (desincronización) en un proceso que está asociado con la memoria y la atención. Pero en un cerebro con un trastorno neurológico como la epilepsia, la sincronización puede crecer hasta un punto peligroso cuando un grupo de células cerebrales comienza a emitir un exceso de electricidad. «Se cree que la sincronización es importante para el procesamiento de la información», dijo Jennifer Creaser de la Universidad de Exeter. «Pero demasiada sincronización, como la que ocurre en los ataques epilépticos o la enfermedad de Parkinson, se asocia con estados patológicos y puede afectar la función cerebral».
Las mediciones de los ataques epilépticos han revelado que la desincronización en las redes cerebrales a menudo ocurre antes o durante el comienzo etapas de una convulsión. A medida que avanza la convulsión, las redes se sincronizan cada vez más a medida que se involucran regiones adicionales del cerebro, lo que conduce a altos niveles de sincronización hacia el final de la convulsión. Comprender las interacciones entre el aumento de la actividad eléctrica durante una convulsión y los cambios en la sincronización es un paso importante para mejorar el diagnóstico y el tratamiento de la epilepsia.
Jennifer Creaser, Peter Ashwin (Universidad de Exeter) y Krasimira Tsaneva- Atanasova (Universidad de Exeter, Universidad Técnica de Munich y Academia de Ciencias de Bulgaria) exploró los mecanismos de sincronización que acompañan el inicio de las convulsiones en un artículo que se publicó en diciembre en SIAM Journal on Applied Dynamical Systems. En su estudio, que tuvo lugar en el Centro de Modelado Predictivo en el Cuidado de la Salud del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas de la Universidad de Exeter y la Universidad de Birmingham, los investigadores utilizaron modelos matemáticos para explorar la interacción entre grupos de neuronas en el cerebro que conduce a transiciones en los cambios de sincronización. durante el inicio de las convulsiones. «Aunque este es un estudio teórico de un modelo idealizado, está inspirado en los desafíos que plantea la comprensión de las transiciones entre la actividad saludable y la patológica en el cerebro», dijo Ashwin.
Los autores utilizan una versión extendida de un modelo existente modelo matemático que representa el cerebro como una red que conecta múltiples nodos de grupos de neuronas. La red modelo consta de nodos biestables, lo que significa que cada nodo puede cambiar entre dos estados estables: reposo (un estado inactivo) y convulsión (un estado activo y oscilatorio). Estos nodos permanecen en su estado actual hasta que reciben un estímulo que les da un empujón suficiente para escapar al otro estado. En el modelo, este estímulo proviene de otros nodos conectados o aparece en forma de «ruido» fuera de las fuentes de actividad neuronal, como las respuestas endocrinas que están asociadas con un estado emocional o cambios fisiológicos debido a una enfermedad.
La influencia entre nodos vecinos se rige por una función de acoplamiento que representa la forma en que los nodos de la red se comunican entre sí. El primero de los dos posibles tipos de acoplamiento es el acoplamiento de amplitud, que se rige por la «sonoridad» de los nodos vecinos. El segundo es el acoplamiento de fase, que está relacionado con la velocidad a la que disparan los vecinos. Aunque los investigadores necesitaban utilizar una formulación simple en una red pequeña para incluso hacer posible su análisis, un sistema más complejo y realista sería demasiado exigente desde el punto de vista computacional, esperaban que su modelo exhibiera los mismos tipos de comportamientos que han revelado los registros clínicos de la actividad cerebral real.
Todos los nodos del sistema modelado comienzan en un estado de reposo saludable. En investigaciones anteriores, los autores encontraron que agregar una pequeña cantidad de ruido al sistema hizo que cada nodo pasara al estado activo, pero la geometría del sistema era tal que regresar al estado de reposo tomó mucho más tiempo que irse. Debido a esto, estos escapes pueden propagarse secuencialmente como un «efecto dominó» cuando se conectan varios nodos. Esto conduce a una cascada de escapes al estado activo, muy similar a una línea de fichas de dominó que se desparrama por la red.
El nuevo artículo de Creaser, Ashwin y Tsaneva-Atanasova se basa en esta investigación previa sobre el efecto dominó para explorar las transiciones dentro y fuera de la sincronía que ocurren durante las cascadas de escapes. El equipo usó su modelo para identificar las circunstancias que provocan estos cambios en la sincronía e investigar cómo el tipo de acoplamiento en una red afecta su comportamiento.
Cuando el modelo incorporó solo el acoplamiento de amplitud, exhibió un nuevo fenómeno en el que el efecto dominó podría acelerar o desacelerar. Sin embargo, este efecto no influyó en los cambios de sincronización en la red; todos los nodos comenzaron y permanecieron sincronizados. Pero cuando el modelo incorporó una amplitud más general y un acoplamiento de fase, los autores descubrieron que la sincronía de los nodos podía cambiar entre escapes consecutivos durante el efecto dominó. Luego determinaron qué condiciones causarían cambios en la sincronía bajo el acoplamiento de amplitud de fase. Este cambio en la sincronía a lo largo de la secuencia de escapes fue el resultado más novedoso del estudio.
Los resultados de este trabajo podrían facilitar más estudios sobre las convulsiones y su manejo. «El modelado matemático del inicio y la propagación de las convulsiones no solo puede ayudar a descubrir los complejos mecanismos subyacentes de las convulsiones, sino que también proporciona un medio para permitir experimentos in silico para predecir el resultado de la manipulación del sistema neuronal», dijo Tsaneva-Atanasova. Comprender la interacción entre la dinámica sincronizada y desincronizada en las redes cerebrales podría ayudar a identificar medidas clínicamente relevantes para el tratamiento de las convulsiones. Por ejemplo, Creaser y Tsaneva-Atanasova se desempeñaron recientemente como autor principal y principal, respectivamente, en un artículo que utilizó una versión más simple del modelo para clasificar los patrones de inicio de las convulsiones que se registraron en un entorno clínico. En el futuro, este tipo de estudios de modelado pueden conducir a la personalización de la identificación y el tratamiento de las convulsiones para las personas con epilepsia.
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Modelo cerebral explora la causa de diferentes patrones de inicio de ataques epilépticos Más información: Jennifer Creaser et al, Sequential Escapes and Synchrony Breaking for Networks of Bistable Oscillatory Nodes, SIAM Journal en Sistemas Dinámicos Aplicados (2020). DOI: 10.1137/20M1345773 Información de la revista: SIAM Journal on Applied Dynamical Systems
Proporcionado por Society for Industrial and Applied Mathematics Cita: Efectos dominó y sincronía en el inicio de convulsiones ( 2021, 25 de enero) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-01-domino-effects-synchrony-seizure.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.