El Cedazo

En las dos entradas anteriores, ésta y esta otra, de nuestra serie hemos intentado describir al conectoma físico cerebral bajo el enfoque del análisis que plantea la teoría de redes. Hemos hecho hincapié en lo que nos dice la teoría acerca de la arquitectura estructural, lo que nos llevó de la mano a conceptos y características que se definen como de “mundo pequeño”, de los “concentradores” o “hub’s”, de los “clubs de ricos” y de las relaciones económicas dentro de las redes complejas que se concretaban en algo así como un mercadeo equilibrado entre los recursos constructivos cerebrales y la eficacia en la comunicación neuronal. De la teoría pasamos también a la realidad de los estudios directos anatómicos y funcionales del cerebro que, efectivamente, nos corroboraban la existencia de este tipo de estructuras en el sistema nervioso.

Un marco conceptual que considera a la “dinámica de la comunicación” como el vínculo necesario entre los dominios de la conectividad estructural y de la funcional. (Imagen de“Communication dynamics in complex brain networks”, figura 1, Andrea Avena-Koenigsberger, Bratislav Misic y Olaf Sporns, Reviews Neuroscience, diciembre 2017, fair use)

En esta entrada intentaremos hacer un bosquejo acerca de lo que podemos saber del conectoma funcional del cerebro. Si ya es difícil estudiar y llegar a conclusiones acerca del conectoma estructural, qué vamos a decir del funcional. Tenemos claro que la función emerge de la actividad de la red, la cual depende a su vez de su propia topología y no de las habilidades de las neuronas. La dinámica cerebral emerge del sustrato proporcionado por los patrones anatómicos de su conexionado físico, del que sabemos que no es una estructura inamovible, sino que está sometido a modificaciones temporales y locales. Esta circunstancia es la que hace posible que de un número más o menos fijo de nodos y enlaces se pueda generar un rico abanico de complicadas redes, lo que diseña un amplio catálogo de estados dinámicos y, por ende, de sus reflejos en el comportamiento. A partir del estudio del conexionado físico y su dinámica podremos deducir teóricamente complejas distribuciones probabilísticas -que codifican y representan mapas cerebrales de las características del mundo interno y externo del organismo (lo que constituye la base del procesado de la información en el cerebro)-^[1] para después correlacionarlas con las propuestas de comportamiento observadas. Estas correlaciones nos dirán cuáles son las regiones cerebrales que ante un input externo se activan al unísono con mayor probabilidad (no es que me dé una certeza absoluta de que estén conectadas, aunque puedo imaginar que con gran probabilidad sí lo estarán), lo cual constituye la base del conectoma funcional. Eso no quiere decir exactamente que en su actividad haya una correlación de causa-efecto entre ellas, en donde la activación de una región directamente causa un cambio de actividad, expresiva o inhibitoria, en otra región. Lo que constituye una diferente historia… la de otro tipo de conectoma, el efectivo.

El conectoma funcional se define por tanto no como una serie de “cableados” y fascículos de los que sabemos pueblan la materia blanca del cerebro o interconectan las regiones de la corteza, sino más bien como aquel “algo” que hace que diferentes regiones cerebrales separadas desarrollen una actividad neuronal temporalmente dependiente, estén o no unidas por haces de axones. La información sobre los patrones de co-activación entre las unidades neuronales distribuidas por el cerebro, que nos van a definir al conectoma funcional, se mide haciendo uso de diversas técnicas.^[2] En el fondo, la cuestión es poder obtener información temporal de la actividad de diversas zonas del cerebro, tanto cuando al sujeto experimental se le somete a una acción como en reposo. Con esos datos se puede ver si la correlación temporal entre zonas es fuerte o débil, o incluso si se anti-correlacionan.

No es tarea sencilla, ya que el conocimiento de las relaciones de causalidad es muy difuso y necesariamente basado en tendencias estadísticas de lo que se observa. Por ello, la interpretación de la topología del conectoma funcional se debe hacer con sumo cuidado ya que, aunque haya ciertos elementos comunes en sus arquitecturas, cuando analicemos las redes estructurales y las funcionales no hay que perder de vista que ambas cosas no son lo mismo. Para el análisis de los datos obtenidos se hace muy útil el utilizar técnicas de teoría de redes, que ya explicamos a vuelapluma lo que son y cómo se usan en una entrada anterior.

En entradas más anteriores de esta serie nos habíamos apoyado en los patrones generales de funcionamiento relacionados con el estado de consciencia, con el objetivo de que nos aproximaran a la existencia de las redes neurales. Ahora intentaremos entender cómo se vinculan las redes estructurales con las dinámicas cerebrales, y de ahí pasar al conectoma funcional, apoyándonos en un particular estado cerebral conocido como su “modo por defecto” o “modo predeterminado”.

La red cerebral de “modo por defecto”. Se resaltan aquellas zonas que se activan mucho más cuando estamos en situación ausente, como la clásica de “estar en las nubes”, que cuando estamos realizando una actividad, por poco intensa que ésta sea (Imagen a partir de ”The brain’s default network: Origins and implications for the study of psychosis”, figura 1, Randy L. Buckner, Dialogues in Clinical Neuroscience, septiembre 2013, fair use)

El cerebro nunca está callado, sino que siempre está involucrado en una actividad neuronal aparentemente espontánea y endógena. Lejos de pensar en el cerebro como un órgano exclusivamente reflexivo cuyas respuestas motoras, perceptivas, emocionales o de pensamiento están impulsadas principalmente por las demandas momentáneas del entorno, hoy en día sabemos de la existencia de una actividad cerebral espontánea e intrínseca, anatómicamente estructurada y fisiológicamente significativa, actividad que realmente es el rasgo dominante de su actividad funcional. Se ha comprobado que la mayor parte de la actividad global del cerebro se despliega en circuitos que no tienen relación alguna con acontecimientos externos.^[3]

Esa circunstancia se ve claramente manifiesta, entre otras cosas, por el hecho de que el consumo energético intrínseco del cerebro suponga entre el 60 y el 80 por ciento de toda la energía que utiliza, que recordemos puede ser la barbaridad de hasta el 20% de la energía total que requiere el cuerpo.^[4] Por contra, el inicio y desarrollo de una tarea concreta, que quedaría añadida a ese estado basal subyacente, implica tan solo un aumento del consumo energético de menos del 5 por ciento. Incluso ciertas regiones del cerebro, como una parte de las cortezas parietal y prefrontal mediales,^[5] experimentan una disminución de su nivel de actividad en cuanto se sale del estado basal de reposo, cosa que sucede cuando otras áreas inician y mantienen la ejecución de una tarea determinada. Sin embargo, cuando se vuelve al reposo se constata un aumento de la actividad entre el cingulado/precúneo posterior (en la anterior imagen: IPL y PCC) y la corteza prefrontal medial (idem: dMPFC y vMPFC), siendo perfectamente coherentes los patrones de conectividad funcional entre estas zonas. A ambas regiones se las considera como los centros principales del sistema que gestiona la función cerebral de “modo por defecto”.

Cuando se ha intentado llegar a más detalle de esta actividad de fondo se ha observado por diversos métodos que está generada por grupos de neuronas cuya actividad se ve modulada siguiendo un patrón ondulante con ciclos más o menos de 10 segundos -0,1 hercios-, unos patrones de actividad que aparecen incluso bajo los efectos de la anestesia general o durante el sueño ligero. Estas ondas de frecuencia moderada son condicionantes del resto de actividad del cerebro, ya que, cuando se inician, rápidamente se sincronizan con oscilaciones de frecuencias superiores, de hasta 100 hercios, que surgen en otras áreas funcionales del cerebro. Se interpreta que con ello están coordinando el acceso de esos otros sistemas a la información que maneja el cerebro, asegurando así el que las funciones cerebrales se realicen de forma armonizada y en el momento adecuado sin interferir unas con las otras. Es curioso cómo cuando el cerebro debe enfocar la atención sobre algo, hacerlo consciente, estas señales de frecuencia 10 segundos desaparecen, reanudándose cuando se amortigua la necesidad de centrar la atención, lo que se interpreta como un continuo balanceo de recursos entre las tareas planificadas y las tareas necesarias del momento.

Varios estudios han demostrado que estas fluctuaciones intrínsecas y espontáneas son importantes para conocer la conectividad funcional cerebral, lo que ha supuesto un poderosísimo motivo para emprender la realización de una serie de experimentaciones y posteriores análisis de los datos obtenidos.

Básicamente se utiliza la técnica de imagen por resonancia magnética funcional (IRMf) -con el sujeto experimental realizando una actividad- aprovechando el método conocido como BOLD,^[6] que es ni más ni menos el aprovechar el incremento de aportación de oxígeno, que viene de la mano del incremento de aportación sanguínea que lógicamente se da en las zonas activas del cerebro, a expensas de una disminución en las que permanecen en reposo. La hemoglobina con oxígeno y sin oxígeno presenta diferentes propiedades magnéticas, de aquí que mediante una resonancia magnética los neurólogos pueden generar imágenes en donde se diferencien las zonas activas de las inactivas.

Serie secuencial de imágenes IRMf BOLD de un mismo corte del cerebro. A partir de ellas se puede revelar los patrones de coherencia espacial en la actividad de diversas zonas del cerebro (ver texto) (Imagen a partir de “The restless brain: how intrinsic activity organizes brain function”, Marcus E. Raichle, Philosophical Transactions B, 2015, fair use )

Gracias a esas imágenes se pueden percibir pautas fluctuantes en la actividad intrínseca del cerebro. A partir de esas variaciones observadas se extraen unos perfiles dinámicos, espacialmente coherentes, dentro de los sistemas cerebrales conocidos. La figura anterior muestra un ejemplo concreto y corresponde a un test realizado sobre un individuo al que se le sometió a una actividad: muestra la imagen IRMf BOLD de un corte del encéfalo, siempre el mismo, pero en distintos momentos sucesivos (cada uno, cada 2,3 segundos). Ver los datos de esta manera ayuda a comprender la naturaleza de la actividad cerebral que se mueve lentamente y en constante cambio. En la serie, si uno se fija en un simple vóxel,^[7] el mismo en todas las imágenes, podemos conocer el patrón dinámico BOLD, a lo largo del tiempo, de ese punto particular en un determinado sistema del cerebro. Ya solo queda correlacionar las series temporales de un buen número de vóxeles, lo que va a hacer evidente la existencia de una similitud de comportamiento entre las señales de distintas áreas, que puede ser plasmado en diversos mapas físicos cerebrales específicos (ver figura siguiente), cada uno de los cuales identifica una red cerebral que manifiesta una coherencia espacial global cuando se activa.

En resumen: el estudio a través del contraste BOLD de la señal de baja frecuencia en la actividad cerebral en estado de reposo o “modo por defecto” ha revelado patrones de actividad local cortical sincronizados, lo que ha permitido describir una intrínseca arquitectura funcional del cerebro humano. Las fluctuaciones en reposo del cerebro en gran medida sugieren la existencia de patrones topográficos muy consistentes, ya que se repiten en cada experimentación sea cual sea la serie de sujetos individuales analizados, las sesiones diferentes de escaneo realizadas y sean cuales sean los laboratorios de imagen. La reproducibilidad de esos patrones de conexión invita claramente a pensar en la existencia de una base estructural real en donde, al menos en modo-reposo, se debe producir un solapamiento anatómico del conexionado físico estructural interzonal y el de los patrones de actividad espontánea neuronal que se desarrolla dentro de esas redes, lo que constituye la base de la conectividad funcional.

Instantáneas fijas de la corteza cerebral en dos momentos de actividad. Arriba a la derecha se remarcan dos zonas con una flecha naranja y una flecha amarilla. El análisis de las series IRMf BOLD de las dos zonas indican una sorprendente correlación entre la actividad de ambas, como queda reflejado en el diagrama inferior que recoge las fluctuaciones temporales BOLD en esas áreas. (Imagen a partir de “The restless brain: how intrinsic activity organizes brain function”, figura 2, Marcus E. Raichle, Philosophical Transactions B, 2015, fair use)

Ahora bien, los análisis de redes más detallados acerca de la conectividad estructural y funcional han revelado que, si bien la conectividad funcional reflejaba las redes estructurales físicas subyacentes, la relación entre las conexiones estructurales y funcionales no es trivial y directa, sino muy compleja. De hecho, los modelos de red sugieren fuertemente que todas las conexiones funcionales reflejan UNA COMBINACIÓN DE NUMEROSAS INFLUENCIAS DINÁMICAS que se mueven a través de la red a lo largo de muchas rutas estructurales, la mayoría de ellas rutas indirectas con múltiples pasos intermedios.

Llegado ese momento creo que es hora de hacer una pausa en el desarrollo del conectoma funcional para continuar en una siguiente entrada, en donde veremos con más detalle cómo se descompone ese cerebro en modo reposo en varias regiones. Para llegar a un inquietante final: el cerebro mantiene un estado de “preparación en anticipación” de las demandas que se le presentan mientras está despierto, ¡previsión completa ante lo que pueda llegar! Entonces ¿qué pintamos nosotros, pobres Homo‘s sapiens?

1. Ya hablamos de ello en este mismo blog de El Cedazo, cuando en la entrada  08 de la serie “Biografía de lo humano” nos atrevíamos a apuntar lo que bien pudo ser una historia para la conciencia reflexiva. Nada inventamos, ya que todo se aprendió del muy recomendable libro del neurólogo Antonio Damasio, “Sentir lo que sucede“. [↩]
2. Ya sean técnicas invasivas, como los electroencefalogramas intracraneales (EEGi), que registran la actividad eléctrica directamente de la corteza cerebral, o mediante técnicas no invasivas, como las imágenes por resonancia magnética funcional (IRMf), la magnetoencefalografía (MEG) y la electroencefalografía (EEG). [↩]
3. El cerebro, en su cárcel de hueso, realmente se esfuerza con lo poco que le llega de fuera. [↩]
4. De todas formas, hay que matizar que en estos ratios de energía, 60/80%, no se tienen en cuenta los consumos del resto de células cerebrales que no son neuronas o la energía necesaria para el normal reciclado fisiológico de las células cerebrales. [↩]
5. Regiones internas del cerebro que intervienen en el recuerdo de los acontecimientos personales, gestionan la referencia temporal y local del “propio yo” o la referencia del “otro”, y que participan también cuando nos imaginamos los pensamientos de los demás, así como en aspectos de nuestro estado emocional. [↩]
6. Del inglés BOLD-contrast imaging (por Blood-Oxygen-Level Dependent contrast imaging). En español “Imagen de contraste dependiente del nivel de oxígeno en la sangre“. [↩]
7. El vóxel (del inglés “volumetric pixel”) es la unidad cúbica que compone un objeto tridimensional. Constituye la unidad mínima procesable de una matriz tridimensional y es, por tanto, el equivalente del píxel en un objeto 2D. [↩]

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