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Física estadística

La dinámica crítica del cerebro sano

actualidad — por el 09/05/2013 a las 12:55

Un estudio de investigadores de Exactas UBA fue publicado en Physical Review Letters y destacado en Physics, publicación de la American Physical Society. El trabajo, dirigido por Dante Chialvo, busca entender cómo funciona el cerebro saludable con herramientas de la física estadística. Postulan que un cerebro sano funciona en un régimen crítico, intermedio entre el orden y el desorden.

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¿Qué haría falta sumarle a la estructura estática del conectoma (izquierda) para que reproduzca la dinámica siempre cambiante del cerebro humano (derecha)? Esa es la pregunta que se hacen los  investigadores de Exactas-UBA en un trabajo publicado en Physical Review Letters.

 

Conocer las reglas dinámicas del cerebro saludable es fundamental para entender, diagnosticar y tratar al cerebro alterado. Claro que, entenderlas y descifrarlas, es una tarea que desde hace años devana los sesos de científicos de todo el mundo. Recientemente, investigadores argentinos echaron luz en este rompecabezas en un estudio que acaba de publicar Physical Review Letters y fue destacado en Physics, publicación de la American Physical Society.

“Entender la relación entre la arquitectura del cerebro y la función es una cuestión central en la neurociencia”, inicia el trabajo que utiliza la teoría de fenómenos críticos, una rama de la física estadística, para comprender mejor la mente humana. La investigación fue realizada por Ariel Haimovici, en su trabajo de licenciatura en Física, junto con Pablo Balenzuela, investigador del CONICET y docente del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires,  así como por otro graduado de esta casa, Enzo Tagliazucchi, hoy en la Universidad Goethe, en Alemania; y dirigida por Dante Chialvo, del CONICET y de la Universidad Nacional de Rosario, en Argentina.

“Los resultados de este trabajo son los primeros en mostrar a partir de datos experimentales realísticos, cuáles son los condimentos dinámicos que hay que agregar a un mapa de la estructura del cerebro para reproducir la actividad cerebral normal”, subraya Chialvo, investigador principal de física del CONICET, quien para contextualizar el logro se remonta al pasado. “Junto con otros colegas, habíamos postulado, hace casi dos décadas que, para que el cerebro pueda funcionar, tiene que estar en un régimen crítico. Esta criticalidad corresponde a un régimen intermedio entre el orden y el desorden, algo que también se lo conoce como estar ‘al borde del caos’. Es inconcebible pensar que un cerebro muy ordenado pueda ser tan plástico y flexible como se requiere para, por ejemplo, mantener esta conversación; o por el contrario, si fuera muy desordenado tampoco podría mantener el hilo del diálogo. Permanecer en ese intermedio crítico es fundamental para el cerebro sano. Cuando postulamos eso, obviamente nos trataron muy mal. En general, en ciencia se espera un concepto de orden en las cosas que funcionan bien.  Sin embargo, en los últimos años cada vez más colegas en la comunidad científica piensa que el cerebro humano real está en un estado de criticalidad”.

Qué tenemos en la cabeza es algo que inquieta y mucho, como prueban tres mega proyectos multibillionarios que construirán en la próxima década la estructura detallada de las conexiones del cerebro a diversas escalas, según destaca Chialvo, y enseguida los enumera. Se trata del Brainnetome en China, el Human Brain Project en Europa y dos en Estados Unidos: el Human Connectome Project  y el más reciente que anunciara el presidente Barack Obama, el BRAIN Project (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies).ños cada vez más colegas en la comunidad científica piensa que el cerebro humano real está en un estado de criticalidad”.

“Estos esfuerzos, aunque en principio necesarios y bien justificados, podrían ser estériles si no se considera que la actividad cerebral emerge de fenómenos colectivos que van mucho más allá de los ‘circuitos’ dictados por la anatomía del cerebro. Esto es lo que este trabajo sugiere, ya que la actividad global del cerebro solamente se pudo replicar cuando  esos circuitos se excitaron con una dinámica crítica”, señala Chialvo, quien en su laboratorio virtual, el Emc3 Lab, (Estudios Multidisciplinarios en Sistemas Complejos y Ciencias del Cerebro) estudia la complejidad en colaboración con colegas y estudiantes del país y del extranjero. Al mismo tiempo, recuerda que “este dilema estructura/función no es nuevo, ya que se planteó también una década atrás cuando se exageró la importancia del genoma (la estructura de los genes) en el entendimiento de la biología en general”.

Criticalidad bajo la lupa
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Pablo Balenzuela junto con Ariel Haimovici y Dante Chialvo.

¿De qué se trata esa dinámica de criticalidad? “Los sistemas capaces de mostrar criticalidad están necesariamente compuestos por un número muy grande de elementos en interacción en donde cada uno de ellos responde a los demás en forma no lineal. No es relevante –señala- la composición o el detalle de cada elemento (pueden ser neuronas, individuos, hormigas, moléculas, agentes económicos, antígenos y anticuerpos, genes, etc.), pero sí que reaccionen no linealmente. Un ejemplo de reacción no lineal podría ser la paciencia, que cambia abruptamente por arriba de un valor umbral”. En líneas generales estos sistemas muestran, como función de algún parámetro, tres regímenes; uno es una conducta ordenada, donde todos los elementos del sistema (en este caso grupos neuronales) hacen lo mismo; en cambio, en el otro extremo, hay un máximo desorden, y cada elemento hace algo distinto. “El tercer régimen, que es intermedio a estos dos extremos, necesita un poco más de intuición y se lo conoce como fenómeno crítico, dinámica crítica o estado de criticalidad. Esta criticalidad,  cuyo estudio es un capítulo importante en la física estadística, es observable con idénticas propiedades en una gran variedad de sistemas físicos, químicos, biológicos, sociales”, explica Chialvo, un investigador del CONICET recientemente repatriado.

Por un momento, para entender mejor la cuestión, el experto invita a salir a la calle en busca de una comparación, donde las variaciones en el tráfico de autos podrían tomarse como un equivalente a la actividad eléctrica neuronal, pasible de ser observada por secuencias de imágenes de resonancia magnética. En tanto, el mapa de la ciudad podría pensarse como la estructura o los circuitos de las conexiones del cerebro.

Volvamos al tránsito. “Si se conoce sólo el mapa (o sea la estructura),  no es posible predecir nada relevante acerca de, por ejemplo, los embotellamientos en horas pico, ni dónde, ni cuándo, ni de qué magnitud serán. No sólo eso, -advierte Chialvo- se sabe que aún en los casos en que se cuenta con toda la información (es decir el mapa de calles y el tráfico monitoreado a cada hora del día) no es simple deducir el por qué ni el dónde de los embotellamientos, como así tampoco manipular el tráfico de modo de optimizar el uso de las carreteras”.

Estas dificultades son conocidas por quienes estudian sistemas complejos de naturaleza diversa. “Estos sistemas complejos exhiben conductas emergentes, ‘algo’ que surgirá de la interacción bajo alguna condición especial, pero que no está ‘escrito’ (de ningún modo y en ningún lugar) en la estructura. En este ejemplo, los embotellamientos son la conducta que se manifiesta (es decir ‘emerge’) sólo para una cierta densidad crítica de autos”, explica y enseguida plantea que en esta ciudad hipotética en un momento dado habrá conductores satisfechos (porque ‘llegaré rápido a casa’) con otros insatisfechos (porque ‘acabo de encontrar un atasco delante de mí’).  “Es también típico –señala- que ambas sensaciones se vean en un mismo conductor en el curso de volver a casa.  Es en esa densidad crítica que se advierte un cambio de conducta entre el tráfico fluido de autos y la aparición de embotellamientos. Por eso se dice que los embotellamientos son fenómenos ‘emergentes’ entre el orden y el desorden que ocurren a una densidad crítica de autos”.

Importancia de los resultados

“El trabajo de Haimovici y colaboradores publicado esta semana tuvo dos fuentes de inspiración: la primera en la reflexión recién comentada acerca de que la estructura no puede per se determinar la dinámica global en un sistema complejo. La segunda es la hipótesis sobre la ‘necesidad’ del cerebro de estar en un régimen intermedio crítico”, indica. Uniendo estas dos ideas, los investigadores decidieron entonces usar el mapa existente en la literatura de las conexiones del cerebro, conocido como conectoma. “Ya que se cuenta con un mapa realístico -aunque aún a una escala gruesa- de las conexiones del cerebro o conectoma se podría simular en él la actividad neuronal bajo varias condiciones de mucho, poco o intermedio ‘tráfico neuronal’”, se plantearon.  Así hicieron muchas simulaciones con varias condiciones y compararon estos resultados con los datos obtenidos de resonancias magnéticas realizadas a individuos sanos en estado consciente. Ellos descubrieron que la dinámica de un cerebro consciente registrada como neuro-imágenes de las resonancias es similar a la que se reproduce en el modelo simulado en el conectoma solamente cuando el tráfico de actividad neuronal está en un punto crítico intermedio de orden y desorden.

“Estos hallazgos implican que el cerebro humano funciona en un estado crítico, es decir, que los patrones de actividad cerebral en tiempo y espacio son una mezcla peculiar de orden y desorden (tal como la de conductores de autos satisfechos e insatisfechos)”, subraya. Continuando con esta analogía vehicular,  agrega: “El mapa de Buenos Aires no ayuda en nada para determinar los lugares de embotellamiento, si no se incorporan las dimensiones dinámicas. Claro, que, esto que resulta obvio para un ingeniero de tránsito, no lo es para el caso del cerebro, donde existe hoy día la presunción de que conociendo el conectoma (es decir el mapa) es suficiente. Esto solo no basta, y este trabajo sugiere cuáles otras cosas en la dinámica son relevantes para completar la escena”.

¿Hacia dónde conducen estos estudios? “Conocer las reglas dinámicas del cerebro saludable es fundamental para entender, diagnosticar y tratar el cerebro alterado. Entre todos los órganos del cuerpo, el cerebro es en el que más vívidamente está relacionada su función con cambios dinámicos de su actividad. Dónde su funcionamiento es una danza que ocurre en el tiempo y en el espacio de la corteza cerebral.  Esa danza se perfecciona, se recuerda y se modifica constantemente. Y algunos bailarines se pueden ir  o cambiar de partenairs y,  sin embargo, esa complicada expresión dinámica, que da lugar a lo que llamamos memoria, conducta, conocimiento y emoción, perdura. Estos estudios están dedicados a construir una teoría basada en la física estadística del cerebro que nos permita entender de qué danza se trata la salud mental y cómo se afecta cuando perdemos la cabeza”, concluye.

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