Los científicos aún están armando el rompecabezas de cómo funciona el cerebro. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images
El funcionamiento del cerebro sigue siendo un rompecabezas con solo unas pocas piezas en su lugar. De estos, una gran pieza es en realidad una conjetura: que hay una relación entre el estructura física del cerebro y su funcionalidad.
Los trabajos del cerebro incluyen la interpretación de entradas táctiles, visuales y sonoras, así como el habla, el razonamiento, las emociones, el aprendizaje, el control preciso del movimiento y muchos otros. Los neurocientíficos suponen que es la anatomía del cerebro, con sus cientos de miles de millones de fibras nerviosas, lo que hace posible todas estas funciones. Los "cables vivos" del cerebro están conectados en elaboradas redes neurológicas que dan lugar a las increíbles habilidades de los seres humanos.
Parecería que si los científicos pueden mapear las fibras nerviosas y sus conexiones y registrar el momento de los impulsos que fluyen a través de ellas para una función superior, como la visión, deberían ser capaces de resolver la cuestión de cómo se ve, por ejemplo. Los investigadores están mejorando en el mapeo del cerebro usando tractografía - Una técnica que representa visualmente las rutas de las fibras nerviosas utilizando el modelado 3D. Y están mejorando al registrar cómo se mueve la información a través del cerebro mediante el uso de imágenes de resonancia magnética funcional mejorada para medir el flujo sanguíneo.
Pero a pesar de estas herramientas, nadie parece estar más cerca de descubrir como realmente vemos. La neurociencia solo tiene una comprensión rudimentaria de cómo encaja todo.
Para abordar esta deficiencia, la investigación de bioingeniería de mi equipo se centra en las relaciones entre la estructura y la función del cerebro. El objetivo general es explicar científicamente todas las conexiones, tanto anatómicas como inalámbricas, que activan diferentes regiones del cerebro durante las tareas cognitivas. Estamos trabajando en modelos complejos que capturan mejor lo que los científicos saben de la función cerebral.
En última instancia, una imagen más clara de la estructura y la función puede ajustar las formas en que la cirugía cerebral intenta corregir la estructura y, por el contrario, la medicación intenta corregir la función.
Las conexiones eléctricas de campo cercano proporcionan otro nivel de comunicación dentro del cerebro. PM Images / Stone a través de Getty Images
Puntos calientes inalámbricos en tu cabeza
Las funciones cognitivas como el razonamiento y el aprendizaje utilizan varias regiones cerebrales distintas de forma secuenciada en el tiempo. La anatomía sola, las neuronas y las fibras nerviosas, no puede explicar la excitación de estas regiones, simultáneamente o en conjunto.
Algunas conexiones son en realidad "inalámbricas". Estos son conexiones eléctricas de campo cercano, y no las conexiones físicas capturadas en los tractogramas.
Mi equipo de investigación ha trabajado durante varios años detallando el orígenes de estas conexiones inalámbricas y midiendo sus fuerzas de campo. Una analogía muy simple de lo que está sucediendo en el cerebro es cómo funciona un enrutador inalámbrico. Internet se entrega a un enrutador a través de una conexión por cable. Luego, el enrutador envía la información a su computadora portátil mediante conexiones inalámbricas. El sistema general de transferencia de información funciona debido a las conexiones cableadas e inalámbricas.
Los campos eléctricos provienen de partículas cargadas que fluyen dentro y fuera de las neuronas en sus nodos no aislados de Ranvier. ttsz / iStock a través de Getty Images Plus
En el caso del cerebro, las células nerviosas conducen impulsos eléctricos a través de largos brazos filiformes llamados axones desde el cuerpo celular a otras neuronas. A lo largo del camino, las señales inalámbricas se emiten naturalmente desde porciones no aisladas de células nerviosas. Estos puntos que carecen del aislamiento protector que envuelve el resto del axón se llaman Los nodos de Ranvier.
Los nodos de Ranvier permiten que los iones cargados se difundan dentro y fuera de la neurona, propagando la señal eléctrica por el axón. A medida que los iones fluyen hacia adentro y hacia afuera, se generan campos eléctricos. La intensidad y estructura de estos campos depende de la actividad de la célula nerviosa.
Aquí en el Centro global para redes neurológicas nos estamos centrando en cómo estos las señales inalámbricas funcionan en el cerebro para comunicar información
El mundo no lineal del cerebro.
Las investigaciones sobre cómo las regiones cerebrales excitadas coinciden con las funciones cognitivas cometen otro error cuando se basan en suposiciones que conducen a modelos demasiado simples.
Los investigadores tienden a modelar la relación como lineal con una sola variable, midiendo el tamaño promedio de la respuesta de una sola región del cerebro. Es la lógica detrás del diseño del primer audífono - si la voz de una persona crece el doble de alto, el oído debe responder el doble.
Los usuarios de audífonos saben que duplicar la información sensorial es una solución rudimentaria. AndreyPopov / iStock a través de Getty Images Plus
Pero los audífonos han mejorado mucho a lo largo de los años a medida que los investigadores han llegado a comprender mejor que el oído no es un sistema lineal, y que se necesita una forma de compresión no lineal para que los sonidos generados coincidan con la capacidad del oyente. De hecho, la mayoría los seres vivos no tienen sistemas de detección que respondan de manera lineal, uno a uno a los estímulos.
Los modelos lineales suponen que si la entrada a un sistema se duplica, la salida de ese sistema también se duplicará. Esto no es cierto para los modelos no lineales, donde pueden existir muchos valores de salida para un solo valor de la entrada. Y la mayoría de los científicos están de acuerdo en que los cálculos neuronales son de hecho no lineales.
Una pregunta crucial para comprender el vínculo entre el cerebro y el comportamiento es cómo el cerebro decide el mejor curso de acción entre las alternativas competidoras. Por ejemplo, la corteza frontal del cerebro toma decisiones óptimas al calcular muchas cantidades o variables - calcular el beneficio potencial, la probabilidad de éxito y el costo en términos de tiempo y esfuerzo. Dado que el sistema no es lineal, duplicar la recompensa potencial puede tomar una decisión final mucho más del doble de probabilidades.
{vembed V = 394259925} El flujo de información a través del cerebro es mucho más complejo y dinámico de lo que un modelo 2D puede representar adecuadamente.
Los modelos lineales pierden la rica variedad de posibilidades que pueden ocurrir en la función cerebral, especialmente aquellas más allá de lo que sugeriría la estructura anatómica. Es como la diferencia entre una representación 2D y 3D del mundo que nos rodea.
Los modelos lineales actuales solo describen el nivel promedio de excitación en una región del cerebro, o el flujo a través de la superficie del cerebro. Esa es mucha menos información que la que usan mis colegas y yo cuando construimos nuestros modelos no lineales a partir de imágenes de resonancia magnética funcional mejorada y datos eléctricos de bioimagen de campo cercano. Nuestros modelos proporcionan una imagen en 3D del flujo de información a través de las superficies del cerebro y hasta profundidades dentro de él, y nos acercan a representar cómo funciona todo.
Un cerebro de aspecto saludable puede tener problemas funcionales. Science Photo Library a través de Getty Images
Anatomía normal, disfunción fisiológica.
Mi equipo de investigación está intrigado por el hecho de que las personas con estructuras cerebrales de aspecto totalmente normal aún pueden tener problemas funcionales importantes.
Como parte de nuestra investigación sobre la disfunción neurológica, visitamos a personas en hospicios, grupos de apoyo de duelo, centros de rehabilitación, centros de trauma y hospitales de cuidados agudos. Nos sorprende constantemente darnos cuenta de que las personas que han perdido seres queridos pueden exhiben síntomas similares a aquellos de pacientes diagnosticados con la enfermedad de Alzheimer.
El duelo es una serie de respuestas emocionales, cognitivas, funcionales y conductuales a la muerte u otros tipos de pérdida. No es un estado, sino un proceso que puede ser temporal o continuo.
Los cerebros de aspecto saludable de los que sufren dolor fisiológico no tienen los mismos problemas anatómicos, incluidas regiones cerebrales reducidas y conexiones interrumpidas entre redes de neuronas, que se encuentran en las personas con enfermedad de Alzheimer.
Creemos que este es solo un ejemplo de cómo los puntos calientes del cerebro, esas conexiones que no son físicas, más la riqueza de la operación no lineal del cerebro pueden conducir a resultados que no serían predichos por un escáner cerebral. Probablemente hay muchos más ejemplos.
Estas ideas pueden señalar el camino hacia la mitigación de afecciones neurológicas graves a través de medios no invasivos. Terapia de duelo y dispositivos de neuromodulación eléctricos no invasivos de campo cercano puede reducir los síntomas asociados con la pérdida de un ser querido. Quizás estos protocolos y procedimientos deberían ofrecerse más ampliamente a los pacientes que sufren de disfunción neurológica donde las imágenes revelan cambios anatómicos. Podría salvar a algunos de estos individuos de procedimientos quirúrgicos invasivos.
Diagramar todos los enlaces no físicos del cerebro utilizando nuestros avances recientes en el mapeo eléctrico de campo cercano, y empleando lo que creemos que son modelos no lineales biológicamente realistas de muchas variables, nos acercará un paso más hacia donde queremos ir. Una mejor comprensión del cerebro no solo reducirá la necesidad de procedimientos operativos invasivos para corregir la función, sino que también conducirá a mejores modelos de lo que el cerebro hace mejor: computación, memoria, redes y distribución de información.
Sobre el Autor
Salvatore Domenic Morgera, profesor de ingeniería eléctrica y bioingeniería, ingeniero eminente de Tau Beta Pi, Universidad del Sur de Florida
Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.
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