Cómo la arquitectura cerebral controla la actividad neuronal

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 (UGR) aportan nuevo datos 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 así los procesos sensoriales y cognitivos. El estudio se publica en Nature Communications.

En los últimos años, diversas investigaciones han permitido obtener gran cantidad de información sobre cómo es el diseño de la intrincadísima red de conexiones neuronales del cerebro y de cuáles son los mapas de actividad neuronal en sus distintas regiones, a distintas escalas y durante la realización de tareas. Estos mapas se han logrado con mediciones de distinta naturaleza (magnetoencelografía, resonancia magnética funcional o potenciales de campos locales, por ejemplo).

Como explica Muñoz, catedrático de Física Teórica y Computacional de la UGR, “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”.

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 (EE UU). 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 (ver como fluye en distintas condiciones).

Avalanchas de actividad neuronal

Los modelos analizados en la UGR dan lugar de forma natural a la presencia de avalanchas de actividad. “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 –añade–, 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 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.

“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. El trabajo ha sido financiado por la Junta de Andalucía mediante un Proyecto de Excelencia y está auspiciado por el Campus de Excelencia Internacional (CEI) Biotic de la UGR.