Científicos logran predecir las áreas cerebrales a estimular para forzar la transición de un estado cerebral a otro

Un problema fundamental en neurociencia es cómo forzar la transición de un estado cerebral a otro, por ejemplo, del sueño a la vigilia, o en estados cerebrales patológicos, como es el caso de las enfermedades psiquiátricas y de alteración de conciencia. Como indican Gustavo Deco y Josephine Cruzat: "es viable forzar la transición de un estado cerebral a otro mediante la estimulación externa, sin embargo, primero es indispensable contar con una caracterización cuantitativa de la dinámica real de un estado cerebral”.

Este ha sido el punto de partida del trabajo que han publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) el 3 de septiembre, del que Gustavo Deco, profesor de investigación ICREA, director del Centro de Cognición y Cerebro (CBC), del Grupo de Investigación Neurociencia Teórica y Computacional en el Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (DTIC) de la UPF, y Josephine Cruzat, miembro de su equipo de investigadores en el CBC, son los primeros autores. En el trabajo también colaboran investigadores de diversas universidades extranjeras incluyendo; Universidad de Melbourne (Australia), Universidad de Oxford y Universidad de Manchester (Reino Unido), Universidad de Aarhus (Dinamarca), Universidad de Minho de Braga (Portugal), Universidad Christian Albrechts de Kiel, Universidad Goethe de Frankfurt y Max Planck Institut de Tübingen (Alemania).

El trabajo proporciona en primera instancia una definición cuantitativa que caracteriza los distintos estados cerebrales. Esta información se incorpora a un modelo computacional del cerebro humano que permite el estudio sistemático de los efectos de la estimulación cerebral en la transición de un estado cerebral a otro

El principal aporte del estudio publicado en PNAS, es que proporciona una definición fehaciente y robusta que caracteriza los estados cerebrales, y que, en combinación con el modelo computacional del cerebro humano completo, permite el estudio sistemático sobre los efectos de la estimulación cerebral en la transición de un estado cerebral a otro.

“La dinámica subyacente de un estado cerebral está caracterizada como un conjunto de subestados metaestables, cada uno con una probabilidad de ocurrencia y de transición entre subestados. Esta caracterización luego se incorpora a un modelo que simula la actividad cerebral, y se ajusta de acuerdo con datos empíricos obtenidos mediante resonancia magnética funcional” explica Gustavo Deco. El método desarrollado por los investigadores, y los resultados obtenidos, ofrecen nuevas y prometedoras posibilidades de tratamiento para revertir estados cerebrales patológicos como trastornos psiquiátricos o de alteración de la conciencia.

El método desarrollado por los investigadores, y los resultados obtenidos, ofrecen nuevas y prometedoras posibilidades de tratamiento para revertir estados cerebrales patológicos, como trastornos psiquiátricos o de alteración de la conciencia

Para validar el método, los investigadores utilizaron datos obtenidos mediante resonancia magnética funcional de sujetos sanos tanto despiertos, como dormidos. Una vez incorporados los datos al modelo, se procedió a estudiar los efectos de la estimulación en las distintas áreas cerebrales. “La estimulación externa sistemática in silico nos permitió predecir cuales con las áreas cerebrales que al ser estimuladas permiten el tránsito entre un estado y otro y viceversa. Así es como mediante la corriente aplicada logramos despertar el cerebro dormido”, explica Cruzat

“Los resultados demuestran la utilidad del modelo para descubrir dónde estimular para forzar la transición entre estados cerebrales. Aplicado a las enfermedades psiquiátricas, este método puede favorecer la recuperación de la enfermedad", explica Deco.

Gustavo Deco tiene el apoyo del Proyecto de Investigación Español PSI2016-75688-P (Agencia Estatal de Investigación / Fondo Europeo de Desarrollo Regional, Unión Europea); del programa de Investigación e Innovación Horizon 2020 de la Unión Europea en virtud de los acuerdos de subvención 720.270 (Human Brain Project [HBP] SGA1) y 785.907 (HBP SGA2); y el Programa de Agencia Catalana de Gestión de Ayudas Universitarias y la Investigación 2017 SGR 1545.

Trabajo de referencia:

Gustavo Deco, Josephine Cruzat, Joana Cabral, Enzo Tagliazucchi, Helmut Laufs, Nikos K. Logothetis, and Morten L. Kringelbach (2019), "Awakening: Predicting external stimulation to force transitions between different brain states" , Proceedings of the National Academy of Sciences, 3 de septiembre, https://doi.org/10.1073/pnas.1905534116.