Tendencias21
El cerebro funciona mediante "avalanchas" de actividad neuronal

El cerebro funciona mediante "avalanchas" de actividad neuronal

La actividad neuronal del cerebro se produce mediante «avalanchas» o «terremotos», de distintos tamaños y formas. No son siempre grandes, porque entonces el cerebro acabaría saturado, ni pequeñas, porque la información no llegaría a todas partes. Según un grupo de investigadores de la Universidad de Granada, las avalanchas se mueven en niveles justamente intermedios.

El cerebro funciona mediante Científicos españoles han descrito de manera minuciosa cómo la arquitectura de conexiones del cerebro humano controla la actividad neuronal, demostrando que en este órgano se producen continuamente pequeñas “avalanchas” o “terremotos” de actividad, con una variabilidad enorme de tamaños y formas óptimas, ni exclusivamente pequeñas, ni sistemáticamente grandes.

Su trabajo, que podría ayudar a entender con más profundidad la conexión entre estructura y dinámica del cerebro y a avanzar en la comprensión que los cerebros humanos tienen de sí mismos, se publica esta semana en la prestigiosa revista Nature Communications.

Paolo Moretti y Miguel Ángel Muñoz, investigadores del Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional y del grupo de investigación en Física Estadística y de los Sistemas Complejos de la Universidad de Granada, han arrojado nueva luz sobre el enigma científico de cómo la estructura del cerebro -es decir los detalles del enmarañado tejido de sus interconexiones- condiciona y afecta la actividad de las neuronas a nivel global, influenciando, por tanto, los procesos sensoriales y cognitivos.

En los últimos años, diversas investigaciones han permitido obtener una ingente cantidad de información sobre dos aspectos distintos y complementarios del cerebro humano: cómo es el diseño de la intrincadísima red de conexiones neuronales que constituyen el cableado estructural del cerebro, y cuáles son los mapas de actividad neuronal en distintas partes del cerebro, a distintas escalas de observación, durante la realización de distintas tareas sencillas o en reposo. Éste último descubrimiento ha sido posible gracias a mediciones de distinta naturaleza (magnetoencelografía, resonancia magnética funcional, potenciales de campos locales, etc.) que permiten obtener dichos mapas.

Como explica Miguel Ángel Muñoz, catedrático de Física Teórica y Computacional de la UGR, en la nota de prensa de la Universidad, “utilizando una sencilla analogía es como si tuviéramos a nuestra disposición, por un lado, un detallado atlas de carreteras, y por otro, un mapa del tráfico en distintos y determinados momentos del día”. El mapa de conexiones

Los científicos granadinos han empleado el mapa de las conexiones cerebrales más preciso elaborado hasta la fecha, llevado a cabo por el profesor Sporns, de la Universidad de Indiana (Estados Unidos). Usando como soporte la arquitectura de dicha red de interconexiones (la red de carreteras), los investigadores del Instituto Carlos I utilizaron modelos matemático-computacionales relativamente sencillos para analizar cómo la actividad neuronal se propaga por la red (esto es, siguiendo con la analogía del tráfico, como éste fluye en distintas condiciones).

Los modelos analizados en la UGR dan lugar de forma natural a la presencia de avalanchas de actividad, con propiedades muy curiosas e interesantes, en absoluto triviales.

“Estos episodios de actividad o ‘avalanchas’ no podemos compararlos con el ejemplo del tráfico, porque para ello debería ocurrir que los coches, en un punto, pudiesen desdoblarse en varios y multiplicarse o evaporarse – explica Muñoz-. Por el contrario, se parecen a los terremotos o episodios de actividad sísmica que, a mayor o menor escala, continuamente perturban la superficie de la tierra, y que en un proceso de cascada desencadenan avalanchas sísmicas de gran variabilidad. Los episodios de actividad neuronal constituyen un mecanismo para entender cómo la información codificada en las neuronas viaja de un lugar a otro del cerebro, haciendo así posible la integración de toda la información, dando coherencia al sistema”.

En el artículo publicado en Nature Communications se demuestra, mediante cálculos matemáticos y el uso extensivo de simulaciones computacionales en el superordenador Proteus del Instituto Carlos I, que las avalanchas de actividad aparecen en el cerebro con una variabilidad enorme de tamaños y formas óptimas, ni exclusivamente pequeñas, ni sistemáticamente grandes.

Avalanchas de actividad neuronal

“Si las avalanchas fuesen demasiado breves, la información codificada en ellas no podría viajar de una parte a otra del cerebro y no habría una coherencia suficiente para las operaciones cognitivas. Por otro lado, si las avalanchas fuesen siempre demasiado intensas, el cerebro estaría en un estado perpetuo de terremoto devastador, o dicho con algo más de precisión, en un estado de perpetua actividad epiléptica. Ambas posibilidades serían nefastas para el correcto funcionamiento del cerebro y ambas se pueden relacionar con patologías mentales”, apuntan los autores.

A la luz de los resultados de este trabajo, la dinámica de las redes neuronales sanas parece operar justo en un punto crítico, en el límite entre los dos estados anteriores: la actividad se propaga de forma marginal, pudiendo llegar a todas partes pero sin sobresaturar el sistema, con un delicado balance de avalanchas pequeñas y grandes, de todas las escalas posibles.

Moretti y Muñoz han demostrado que la arquitectura del cerebro a gran escala -que tiene una estructura organizada en distintas capas en modo jerárquico- es tal que hace que sea mucho más sencillo alcanzar este estado de avalanchas críticas de lo que se pensaba hasta el momento. Referencia bibliográfica:

Paolo Moretti y Miguel A. Muñoz: Griffiths phases and the stretching of criticality in brain networks. Nature Communications (2013). DOI:10.1038/ncomms3521.

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • Una pequeña luna de Saturno parecida a la “Estrella de la Muerte” de Star Wars contiene un océano oculto 8 febrero, 2024
    Por debajo de la superficie repleta de cráteres de Mimas, una de las lunas más pequeñas de Saturno, se esconde un océano global de agua líquida de reciente formación. El satélite posee tan sólo unos 400 kilómetros de diámetro y presenta un notable parecido con la “Estrella de la Muerte”, una estación espacial imperial que […]
    Pablo Javier Piacente
  • Logran controlar un objeto virtual con la mente durante un sueño lúcido 8 febrero, 2024
    Un grupo de participantes en un nuevo estudio científico logró manejar un vehículo virtual a través de un avatar únicamente con su mente, mientras sus cerebros permanecían en la fase REM del sueño. Además de profundizar en los misterios de la consciencia humana, la innovación podría facilitar el acceso a nuevos desarrollos tecnológicos, como un […]
    Pablo Javier Piacente
  • Un proyecto global trabaja para crear de forma colaborativa un cerebro robótico general 8 febrero, 2024
    El auge de la inteligencia artificial generativa impulsa un proyecto global que trabaja para crear un cerebro robótico general, capaz de generar androides como los que hemos visto hasta ahora solo en la ciencia ficción. Pero es cuestión de tiempo que convivamos con ellos en perfecta armonía. Ya no es una utopía.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • La IA está capacitada para resolver dilemas morales cuando conduce vehículos autónomos 8 febrero, 2024
    Los sistemas de IA muestran significativas similitudes éticas con las reacciones humanas ante dilemas morales, lo que los acreditan para conducir vehículos autónomos tal como lo harían las personas.
    Redacción T21
  • Los huracanes se están volviendo tan fuertes que ya no existen categorías para clasificarlos 7 febrero, 2024
    Cinco tormentas en la última década tuvieron velocidades de viento que pertenecen a una hipotética categoría 6 en la escala de huracanes Saffir-Simpson: el fenómeno obligaría a los científicos a crear una nueva clasificación, capaz de reflejar la virulencia de los huracanes en la actualidad. Las causas principales del fenómeno tienen su origen en el […]
    Pablo Javier Piacente
  • Un asteroide habría explotado sobre la Antártida hace unos 2,5 millones de años 7 febrero, 2024
    Un asteroide se desintegró sobre el continente antártico hace aproximadamente 2,5 millones de años: la evidencia proviene de un análisis químico de más de 100 pequeños trozos de roca extraterrestre, que se han preservado dentro de las enormes capas de hielo. Hasta el momento, solo se conocen otros dos eventos de explosiones aéreas antiguas en […]
    Pablo Javier Piacente
  • Crean la primera niña de inteligencia artificial del mundo 7 febrero, 2024
    La primera niña IA del mundo ha sido creada por científicos chinos, que la han dotado de emociones e intelecto y de la capacidad de aprender de forma autónoma. Se comporta como si tuviera tres o cuatro años y representa un avance significativo para el campo de la inteligencia artificial general.
    Redacción T21
  • Oponerse a la regulación de los pesticidas no es la solución al problema de los agricultores 7 febrero, 2024
    Los agricultores que se movilizan en España y Europa se oponen con firmeza a las nuevas regulaciones europeas en materia de pesticidas, lo que representa una amenaza mayor para la salud pública que tener una central nuclear al lado de casa: estos químicos han costado miles de vidas y enfermos crónicos, al tiempo que han […]
    Eduardo Costas | Catedrático de la UCM y Académico de Farmacia
  • El arte existió antes del surgimiento de los humanos modernos 6 febrero, 2024
    Nuevas investigaciones sugieren que nuestros parientes humanos arcaicos, como los neandertales, ya contaban con las capacidades cognitivas para desarrollar arte: el hallazgo de ejemplos cada vez más antiguos de expresión artística en el registro arqueológico confirmaría esta hipótesis. Sin embargo, aún se discute si estas manifestaciones creativas pueden catalogarse como arte.
    Pablo Javier Piacente
  • Descubren una nueva supertierra que podría ser un mundo habitable 6 febrero, 2024
    Un planeta extrasolar del tipo supertierra, denominado TOI-715 b y aproximadamente una vez y media más ancho que la Tierra, podría ser capaz de albergar vida: orbita dentro de la zona habitable de una enana roja, a escasa distancia de nuestro planeta. Además, podría estar acompañado de otro cuerpo planetario, con un tamaño casi idéntico al […]
    Pablo Javier Piacente