Avalanchas neuronales y dinámica crítica

Las avalanchas neuronales son estallidos espontáneos de actividad sincronizada que se distribuyen en "clusters" de sitios s de acuerdo con una ley de potencias con un exponente cuyo valor se sitúa entre -1 y -2. Y así, dado un estallido de un tamaño s, un estallido que doblará el tamaño de aquél tendrá lugar dos veces elevado al exponente, menos frecuentemente. Siguiendo a Petermann et al. (2009), este tipo de dinámica presenta las siguientes interesantes propiedades: (a) requiere una transmisión sináptica equilibrada entre la actividad excitatoria y la inhibitoria; (b) se presenta tanto en condiciones "in vivo" como "in vitro" y (c) parece ser una propiedad intrínseca de la corteza cerebral.

Descritas en preparaciones reducidas de cerebros de ratas, nuestros autores demuestran su existencia en los cerebros de macacos rhesus despiertos. Situando electrodos en los cerebros de dos macacos y registrando su actividad durante unos 40 minutos, encuentran trenes de ondas localmente sincronizadas y correlacionadas en diferentes sitios corticales durante muchos segundos. El inicio de cada "cluster" es definido temporalmente con una variación de 4 milisegundos.

Pero ¿cuál es la verdadera causa de las avalanchas? Tagliazucchi y Chialvo (2011) subrayan que las avalanchas son estados dinámicos críticos, esto es, cascadas espaciotemporales que se extienden sobre un fractal. Las neuronas operan en un punto crítico, en contraste con un régimen supercrítico en el que cada "input" se expande de una manera explosiva a través de la red-similar a una reacción nuclear incontrolada en cadena- o un régimen subcrítico, en el que las cascadas terminan prematuramente. Si los sistemas intentan maximizar la probabilidad de vincular sitios distantes mediante cascadas, evitando una activación en masa no selectiva, podemos, pues, hablar de dinámica crítica. Parece evidente que, dado que esta condición crítica exhibe una mezcla de patrones de excitación tanto ordenados como desordenados, las redes neuronales en estado crítico han de ser capaces de generar el máximo repertorio de configuraciones dinámicas posibles. Lo que es peculiar es el patrón estadístico de comportamiento seguido por estas avalanchas. Hay muchas más avalanchas pequeñas que grandes puesto que solo suele comprometerse en este tipo de actividad, un pequeño grupo de neuronas.

¿Cuál es el origen y el significado funcional de estas avalanchas? Todavía no hemos encontrado una explicación precisa pero lo que es evidente es que el cerebro va creando y reconfigurando redes neuronales complejas con una dinámica correlacionada que responde al tráfico entre zonas (véase Chialvo, 2010, p. 5). Si observamos mediante resonancia magnética funcional el comportamiento del cerebro en reposo, desde correlaciones lineales bastante simples, las señales dependientes del nivel de oxigenación de la sangre o BOLD, reflejan unos pocos grupos neuronales emergiendo, como si de unas nubes que pasan se tratara. Lo curioso es que esta suerte de nubes visitan las mismas regiones cerebrales activadas durante cualquier tipo de conducta activa y que estas redes son identificables de forma muy consistente entre los sujetos, incluso durante el sueño o los efectos de la anestesia. Así pues, la Biología del cerebro nos muestra dinámicas colectivas emergentes que remiten a un fenómeno tal como la "criticalidad", que tanto ha sido estudiado en Física.

Orden(adores) y Caos en Electroencefalografía

En el marco del ciclo de conferencias organizado por la "Cosmocaixa" en Alcobendas, bajo el rótulo de "Paisajes Neuronales", el Doctor Fernando Fariñas Balseiro ofreció el día 1 de abril una muy interesante charla sobre la aplicación de la dinámica de sistemas no lineales al desarrollo de técnicas electroencefalográficas de diagnóstico. Entre la audiencia había médicos, genetistas, neuropsicólogos, físicos...El autor de este blog está especialmente interesado en el desarrollo de simulaciones por ordenador y de coste computacional bajo, que den cuenta de la actividad electrocortical en el cerebro.

El Dr. Fariñas ha trabajado durante mucho tiempo en el Hospital de La Paz en Madrid y conjuga algo muy difícil de encontrar en la mayoría de médicos de nuestro país: una obvia preparación en Medicina con una muy sólida formación en Física y Matemáticas, que le hace interesarse lo mismo en el diagnóstico de una epilepsia que en un espacio de Hilbert, por ejemplo.

Su campo de estudio está empezando a recibir la atención que se merece y testigo reciente es la publicación del excelente artículo de Tullio A. Minelli, "Neurodynamics and Electrocortical Activity" (2009).

El profesor Fariñas comenzó su intervención recalcando que la Electroencefalografía es la única técnica funcional existente para el diagnóstico de patologías cerebrales. La opinión más extendida entre el gran público es que cuando hay cualquier patología, se producen señales de alarma muy ostensibles que advierten de un fracaso funcional evidente. Pero como subrayó el Dr. Fariñas, éste no es el caso en la mayoría de las ocasiones. Precisamente, cuando en el cerebro se dan ritmos muy fijos de sincronización neuronal, podemos estar ante un problema, puesto que dicha hipersincronización denota que los sistemas de regulación están siendo muy poco adaptativos. La enfermedad tiene más que ver con la presencia de comportamientos funcionales esclerotizados que con conductas "irregulares" o de saltos. En definitiva, y esto tiene mucho que ver con los principios básicos que rigen la teoría del Caos, la enfermedad se revela más por patrones regulares en exceso que por irregularidades funcionales. Sería la diferencia entre un cristal perfectamente estructurado pero, al fin y al cabo, muerto, y un organismo vivo que, precisamente para estar vivo, ha de tener un intercambio continuo y suficientemente dinámico con su entorno.

La moderna teoría del caos arranca con Edward N. Lorenz. La anécdota fundacional es muy conocida y nos presenta a un Lorenz que introduce cifras redondeadas en milésimas en una calculadora que redondea hasta las millónesimas y que, a la mañana siguiente, se encuentra en lugar de con la lista de cifras replicada, con resultados muy distintos. A partir de aquí y, como de forma magistral, expuso el Doctor Fariñas, emerge el folklore conceptual de la teoría del Caos que, por cierto, no hay que confundir con la teoría de Sistemas Complejos. Caos no puede identificarse con Complejidad, puesto que la Complejidad implica auto-organización, modularidad estructural, recursividad algorítmica y emergencia, entre otras propiedades, mientras que el caos determinista es una posibilidad más en el amplio abanico de los sistemas dinámicos no lineales. Pero lo que sí es más que evidente es que la comprensión del funcionamiento del cerebro no se logrará nunca mediante el estudio de unidades funcionales simples sino a través de un enfoque holístico propiciado por el paradigma de los sistemas dinámicos. Precisamente, la pregunta que en esta sesión dirigió el autor de este blog al profesor Fariñas tuvo que ver con la necesidad de ir repartiendo esfuerzos de investigación entre el desarrollo de técnicas de potenciales evocados y las técnicas de neuroimagen que se llevan una enorme cantidad de inversiones para obtener resultados que parecen retrotraer al viejo paradigma localizacionista de la frenopatía: zona cerebral activada, zona responsable de tal facultad cognitiva superior o de tal enfermedad.

El Dr. Fariñas finalizó su intervención describiendo brevemente un muy interesante proyecto que él y un grupo de investigadores están culminando: en palabras del propio Fariñas, " la máquina que hace pi (la letra del alfabeto griego)", es decir, n-MAVEC. Esta máquina se presenta como un instrumental de monitorización de pacientes muy sedados en las Unidades de Cuidados Intensivos. En este tipo de pacientes es muy fácil que puedan darse daños cerebrales irreversibles que pasan desapercibidos a los cuidadores de las Unidades, puesto que se encuentran en una situación tan vegetativa que ni siquiera es posible captar en ellos pequeños movimientos musculares; n-MAVEC es capaz de controlar la ausencia de parámetros típicamente caóticos y necesarios para evitar una hipersincronización, síntoma de un daño cerebral irreparable.

El uso del instrumental teórico de los sistemas dinámicos no lineales para el diagnóstico cerebral se perfila como de enorme importancia y puede ocuparse tanto de lo que se va a encargar n-MAVEC como de analizar qué sucede en el cerebro de un paciente epiléptico durante los cinco segundos que transcurren durante una de las típicas "ausencias" epilépticas.

Hemos de finalizar agradeciendo al profesor Fernando Fariñas Balseiro lo muy esclarecedora que fue su ponencia y el hecho de que esté dando a conocer en nuestro país un paradigma cuyas aplicaciones a la Medicina y a la Psicología van a ser esenciales y que atrae la atención de los neurocientíficos computacionalistas por su poder para generar simulaciones cada vez más complejas.