Un model mecànic per explicar els ritmes cerebrals centra una recerca internacional amb la participació del Center for Brain and Cognition

La proposta d'una teoria mecanicista per explicar l'aparició dels ritmes cerebrals, que podria contribuir a dissenyar estratègies terapèutiques més precises, és el tema central d'un article publicat recentment a la revista Nature Communications Physics per un equip internacional d'investigadors, l'autor principal del qual és el director del Center for Brain and Cognition de la UPF, Gustavo Deco.

L'article exposa com el cervell manté el ritme a través d'un model mecànic simple amb què descriuen el comportament d'aquestes ones. La comprensió de l'aparició dels ritmes cerebrals podria permetre el disseny d'estratègies terapèutiques més precises destinades a modular l'activitat cerebral oscil·latòria disfuncional.

En aquest sentit, cal tenir en compte que els principis fonamentals que coordinen aquestes ones al camp electromagnètic del cervell encara no es coneixen a fons, la qual cosa limita l'avenç de les estratègies terapèutiques per reequilibrar els ritmes patològics. Per això, l'aportació de la recerca recollida per aquest article científic és rellevant des del punt de vista clínic.

L'equip internacional que ha elaborat aquesta recerca és interdisciplinari i està format per experts en neurociència, física, matemàtiques i ciència computacional avançada. L'article que recull els seus resultats, titulat "Metastable oscillatory modes emerge from synchronization in the brain spacetime connectome", va ser publicat per la revista Nature Communications Physics al juliol d'enguany. A més de Gustavo Deco, la resta de coautors de l'article són Joana Cabral (Institut de Recerca en Ciències de la Vida i la Salut, Universitat de Minho), Francesca Castaldo (doctoranda del Wellcome Centre for Human Neuroimaging a la University College London), Jakub Vohryzek (Oxford Computational Neuroscience, University of Oxford i investigador postdoctoral a la UPF), Vladimir Litvak (UCL Queen Square Institute of Neurology), Christian Bick (Departament of Mathematics, Vrije Universiteit Amsterdam), Renaud Lambiotte (Oxford Centre for Industrial and Applied Mathematics), Karl Friston (Institute of Neurology, University College London) i Morten L. Kringelbach (Departament of Psyquiatry, University of Oxford).

Els patrons dels ritmes cerebrals poden explicar-se per analogia amb d'altres fenòmens naturals, en què sistemes d'unitats com cèl·lules s'involucren en un comportament col·lectiu

L'aparició espontània no resolta d'oscil·lacions col·lectives anomenades ritmes cerebrals és característica dels registres d'electroencefalografia (EEG) i magnetoencefalografia (MEG). De fet, fa més d'un segle que els investigadors van detectar ones periòdiques als senyals elèctrics detectats al cuir cabellut dels mamífers vius.

La recerca d'aquest equip internacional mostra que els patrons dels ritmes cerebrals detectats als registres d'EEG i MEG poden explicar-se per analogia amb d'altres fenòmens naturals que s'observen a múltiples nivells i escales de la natura, en què els sistemes d'unitats que interactuen, ja siguin molècules, cèl·lules o fins i tot éssers vius, s'involucren en un comportament col·lectiu. Els autors mostren que el principi de sincronització és suficient per produir ones de senyals electromagnètics similars als ritmes cerebrals coneguts.

Per això, l'estudi simula la xarxa cerebral amb la utilització de 90 oscil·ladors esmorteïts acoblats mitjançant el connectoma estructural del cervell per modelar i explicar matemàticament com es poden generar ones col·lectives amb freqüències i durades qualitativament similars a les detectades al cervell. Mitjançant aquest sistema, s'ha pogut demostrar que els mecanismes de sincronització poden explicar bé aquestes oscil·lacions col·lectives i que els canvis subtils als paràmetres del model poden explicar diferents característiques de l'EEG.

Joana Cabral (Universitat de Minho, Portugal): "En aquest model matemàtic de la xarxa cerebral, els pocs mil·lisegons que triguen els senyals a viatjar d'una regió cerebral a una altra són crucials per generar ones col·lectives d'activitat".

"Aquí l'element clau és el temps de transmissió entre les àrees del cervell", explica Joana Cabral, de l'Institut de Recerca en Ciències de la Vida i la Salut de la Universitat de Minho a Portugal, coautora de l'article. "En aquest model matemàtic de la xarxa cerebral, els pocs mil·lisegons que triguen els senyals a viatjar d'una regió cerebral a una altra són crucials per generar ones col·lectives d'activitat. Podem imaginar les onades humanes en un estadi, on el temps que triga l'ona col·lectiva a fer la volta a l'estadi depèn del nombre de persones i del temps de reacció entre elles. Aquest fenomen està predit per les lleis generals que regeixen la sincronització dels oscil·ladors juntament amb els endarreriments de temps i obre portes per comprendre què determina els ritmes detectats experimentalment al cervell", agrega Joana Cabral, que es va doctorar a la UPF.

Gustavo Deco (UPF) exposa que els senyals generats pel model mecànic mostren que existeix un rang crític d'acoblament en què el sistema no és ni completament sincrònic ni asincrònic: "Els sistemes dinàmics que operen en aquest règim crític són els més sensibles a les pertorbacions, la qual cosa augmenta la capacitat de processament de la informació"

Els senyals generats pel model demostren l'existència d'un rang crític d'acoblament en què el sistema no és ni completament sincrònic ni asincrònic, però alguns subconjunts d'àrees cerebrals se sincronitzen transitòriament impulsant l'aparició espontània d'ones col·lectives similars a les detectades amb EEG i MEG. "Els sistemes dinàmics que operen en aquest règim crític són els més sensibles a les pertorbacions, la qual cosa augmenta la capacitat de processament de la informació", explica l'investigador principal Gustavo Deco, director del Center for Brain and Cognition de la UPF.

Francesca Castaldo (University College London): "Ara el nostre objectiu és provar l'impacte de diferents estratègies de pertorbació per millorar l'eficàcia de les tècniques d'estimulació cerebral per reduir els símptomes en els trastorns neuropsiquiàtrics en què aquests ritmes estan interromputs"

La similitud dels senyals obtinguts de les simulacions per computadora amb els senyals registrats experimentalment donen suport a la validesa d'aquesta hipòtesi mecanicista. "Ara el nostre objectiu és provar l'impacte de diferents estratègies de pertorbació per millorar l'eficàcia de les tècniques d'estimulació cerebral per reduir els símptomes en els trastorns neuropsiquiàtrics en què aquests ritmes estan interromputs", explica Francesca Castaldo, estudiant de doctorat del Wellcome Centre for Human Neuroimaging de la University College London, finançat per la European School of Network Neuroscience (euSNN), una xarxa europea de formació per a estudiants de doctorat.