La palabra 'avalancha' generalmente se asocia con eventos violentos e inesperados, como desprendimientos de rocas o el colapso repentino de desviaciones inestables de nieve. Pero en la investigación del cerebro, las avalanchas cascadas intermitentes de actividad eléctrica son acontecimientos cotidianos queno solo son pacíficos, sino que en realidad reflejan estabilidad.
Por primera vez en un estudio del cerebro humano vivo que responde a estímulos externos, un candidato a doctorado israelí completó recientemente un análisis cuantitativo de cómo surgen las avalanchas neuronales del equilibrio entre dos fuerzas electroquímicas fundamentales mediadas en el nivel de los nerviosredes: la fuerza que estimula la propagación de la actividad eléctrica a través del cerebro y la fuerza que la inhibe.
Utilizando una técnica no invasiva llamada magnetoencefalografía MEG, la Sra. Oshrit Arviv comparó los patrones de actividad electromagnética que ocurren en el cerebro en reposo y los patrones generados por procesos cognitivos específicos. Partiendo del trabajo teórico y experimental previo sobre el cerebro 'criticidad ', el estado en el que la actividad cerebral oscila entre la atenuación y la amplificación de las señales eléctricas al mantener el equilibrio de la inhibición de la excitación: el nuevo estudio es el primero en demostrar que las avalanchas neuronales pueden desencadenarse por la cognición de alto nivel. El nuevo enfoque computacional de Arvivtambién reveló que el tamaño y la duración de la avalancha neuronal capturan características específicas de la dinámica cerebral individual, lo que demuestra una técnica analítica 'biométrica' que vincula los datos generados por MEG con individuos específicos.
En otro hallazgo, el estudio demuestra que las avalanchas provocadas por estímulos, los patrones neuronales provocados cuando varios sujetos realizan una tarea perceptiva específica, comparten un alto grado de similitud en términos de distribución temporal y espacial. Este enfoque, que vinculatareas cognitivas específicas a la dinámica de la red neuronal subyacente, representan una forma completamente nueva de observar el cerebro humano en el trabajo.
Estos hallazgos se publicaron el 14 de octubre de 2015 en el Revista de Neurociencia . El artículo fue en coautoría con los supervisores conjuntos de los estudios de doctorado de Arviv: el Dr. Oren Shriki, Jefe del Laboratorio de Psiquiatría Computacional de la Universidad Ben-Gurion del Negev, y el Prof. Avi Goldstein del Departamento de la Universidad de Bar-IlanPsicología y Jefe de la Unidad de Imágenes Cerebrales Electromagnéticas en el Centro de Investigación del Cerebro Multidisciplinario Gonda Goldschmied de la Universidad.
Criticidad: el estado óptimo para la función cerebral
"Los miles de millones de células nerviosas en nuestros cerebros se ven afectados por fuerzas opuestas basadas en la red, que promueven la comunicación de nervio a nervio o la inhiben", dice Arviv. "El equilibrio dinámico entre estas dos funcionalidades se expresa, enen parte, por avalanchas, fenómenos naturales que restablecen la actividad eléctrica y reflejan la estabilidad en el cerebro. En algún lugar del espacio entre "demasiado" y "muy poca" actividad neuronal es la criticidad: el estado en el que la función cerebral es máseficiente."
Según Arviv, la criticidad es el estado en el que un grupo sincronizado de neuronas activará, en promedio, solo otro grupo sincronizado, una limitación que optimiza la actividad electroquímica que sirve como "combustible" para la función cerebral ". Los científicos tienendurante mucho tiempo creía que el estado crítico optimiza la capacidad del cerebro para representar información ", dice." La nuestra fue la primera investigación experimental para cuantificar la organización espacio-temporal del proceso crítico de ramificación que produce avalanchas neuronales, y comparar esta organización a medida que ocurrecognición evocada por estímulos y en estado de reposo "
Procesamiento facial: una clave visual para desbloquear secretos de inhibición de excitación
La configuración experimental de Arviv utilizó una tarea visual, el procesamiento de caras, como un sistema modelo. A los sujetos se les presentaron 45 imágenes aleatorias de caras mayoritariamente masculinas, y se les ordenó presionar un botón cuando aparecía una cara femenina en elpantalla. Mientras realizaba la tarea, la actividad cerebral de los sujetos se registró con una matriz de magnetómetro de cabeza completa: un casco MEG
"MEG es una técnica basada en la lectura directa de campos electromagnéticos que permite la medición de la actividad cerebral en curso sobre una base de milisegundos por milisegundos, y también puede mostrar en qué parte del cerebro se produce dicha actividad", explica Arviv, y agrega queesta capacidad de reunir simultáneamente una combinación de excelentes datos temporales, junto con buenos datos espaciales, le da a MEG una clara ventaja sobre otros métodos ". Observamos una fluctuación en las fuerzas opuestas de excitación e inhibición que aparecieron en respuesta a un comportamiento cognitivo específico.- procesando una cara - y que desencadenó avalanchas. No solo pudimos trazar exactamente dónde ocurrieron estas avalanchas en el cerebro, sino que también pudimos seguir la propagación de avalanchas con el tiempo. Nadie ha podido identificar el momento en que la excitación-cambios en el equilibrio de inhibición, ciertamente en términos de alta cognición. Aquí, logramos un retrato temporal y espacial de alta resolución del cerebro en el trabajo ".
La 'biometría' del análisis de avalanchas
En otro aspecto del mismo estudio, Arviv comparó las avalanchas producidas durante las tareas de procesamiento facial con las avalanchas producidas cuando el cerebro está en reposo, un estado que fue ampliamente estudiado por el Dr. Oren Shriki en el Instituto Nacional de Salud Mental, en Bethesda, Maryland. En su investigación actual, Arviv identificó una fascinante similitud entre avalanchas provocadas por estímulos y en estado de reposo a medida que ocurren dentro de sujetos individuales, lo que indica que cada cerebro humano puede poseer una 'huella digital' o un patrón únicode dinámica de avalanchas.
"Nuestro estudio mostró que, para sujetos individuales, la actividad cortical, tanto en el estado de reposo como durante la actividad evocada por el estímulo, compartía características similares de avalancha en términos de tamaño y distribución, así como la dinámica temporal", dice ella"Esto significa que potencialmente puede identificar matemáticamente a un individuo, a través de la dinámica cerebral representada en la progresión de sus avalanchas neuronales. Esto es interesante en términos de neurociencia fundamental, pero también apunta a la posibilidad de que, en algún momento en el futuro, los médicos puedanser capaz de identificar cambios en la dinámica típica de inhibición de la excitación y usarla para diagnosticar anormalidades neurológicas o aparición de enfermedades "
Mapeando la forma del pensamiento humano
Según Arviv, el análisis computacional de avalanchas es una forma nueva y sofisticada de caracterizar la cognición de alto nivel que tiene lugar dentro del cerebro humano.
"Ha habido muchos estudios de EEG y fMRI que dan cuenta indirecta de la actividad neuronal y la localizan en áreas específicas del cerebro. Pero al usar la tecnología MEG y al enfocarse en la dinámica de la inhibición de la excitación, nuestros análisis revelan nueva información sobrecómo el cerebro humano mantiene su estabilidad electroquímica y procesa los estímulos perceptuales ", dice Arviv, y agrega que en su investigación actual, está aplicando el análisis de avalanchas a un estudio de epilepsia." Este enfoque puede arrojar luz sobre los mecanismos involucrados en el mantenimiento del equilibrio cerebral saludable- y ayudan a explicar cómo la criticidad neuronal afecta la función cognitiva tanto en poblaciones sanas como patológicas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Bar-Ilan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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