Los patrones de ondas cerebrales de alta frecuencia en la corteza motora pueden predecir un próximo movimiento

Nicholas G. Hatsopoulos, Ph.D., Profesor de Biología y Anatomía de Organismos en la Universidad de Chicago, ha estado interesado en el espacio durante mucho tiempo. Concretamente, el espacio físico que ocupa el cerebro.

«Dentro de nuestras cabezas, el cerebro está todo arrugado. Si aplanaras la corteza humana en una sola hoja 2D, cubriría dos pies cuadrados y medio de espacio, aproximadamente del tamaño de cuatro hojas de papel. Uno pensaría que el cerebro aprovecharía todo ese espacio al organizar los patrones de actividad, pero además de saber que una parte del cerebro controla el brazo y otra controla la pierna, en su mayoría hemos ignorado cómo el cerebro podría usar esa organización espacial».

Ahora, en un nuevo estudio publicado el 16 de enero en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Hatsopoulos y su equipo han encontrado evidencia de que el cerebro efectivamente usa la organización espacial de ondas de actividad neuronal que se propagan de alta frecuencia durante el movimiento.

La presencia de ondas de actividad neuronal que se propagan ha sido bien establecida, pero tradicionalmente se las asocia con el estado de comportamiento general de un animal (como despierto o dormido). Este estudio es la primera evidencia de que el reclutamiento espacialmente organizado de actividad neuronal a través de la corteza motora puede informar los detalles de un movimiento planificado.

El equipo espera que el trabajo ayude a informar cómo los investigadores e ingenieros decodifican la información del motor para construir mejores interfaces cerebro-máquina.

Para realizar el estudio, los investigadores registraron la actividad de conjuntos de electrodos múltiples implantados en la corteza motora primaria de monos macacos mientras los monos realizaban una tarea que requería que movieran un joystick. Luego, buscaron patrones de actividad similares a ondas, específicamente aquellos de gran amplitud.

«Nos enfocamos en las señales de la banda de alta frecuencia dada su rica información, el alcance espacial ideal y la facilidad de obtener la señal en cada electrodo», dijo Wei Liang, primer autor del estudio y estudiante graduado en el laboratorio de Hatsopoulos.

Descubrieron que estas ondas de propagación, compuestas por la actividad de cientos de neuronas, viajaban en diferentes direcciones a través de la superficie cortical según la dirección en la que el mono empujaba el joystick.

«Es como una serie de fichas de dominó cayendo», dijo Hatsopoulos. «Todos los patrones de onda que hemos visto en el pasado no nos decían qué estaba haciendo el animal, simplemente sucedería. Esto es muy emocionante porque ahora estamos viendo este patrón de onda que se propaga y mostramos que la dirección en la que la ola te dice algo sobre lo que el animal está a punto de hacer».

Los resultados proporcionan una nueva forma de ver la función cortical. «Esto demuestra que el espacio sí importa», dijo Hatsopoulos. «En lugar de solo mirar lo que hacen y les importan las poblaciones de neuronas, estamos viendo que hay patrones organizados espacialmente que transportan información. Esta es una forma muy diferente de pensar sobre las cosas».

La investigación fue un desafío debido al hecho de que estaban estudiando los patrones de actividad de los movimientos individuales, en lugar de promediar las grabaciones en ensayos repetidos, lo que puede ser bastante ruidoso. El equipo pudo desarrollar un método computacional para limpiar los datos a fin de brindar claridad sobre las señales que se registran sin perder información importante.

«Si promedias los ensayos, pierdes información», dijo Hatsopoulos. «Si queremos implementar este sistema como parte de una interfaz cerebro-máquina, no podemos promediar las pruebas: su decodificador tiene que hacerlo sobre la marcha, a medida que ocurre el movimiento, para que el sistema funcione de manera efectiva».

Saber que estas ondas contienen información sobre el movimiento abre la puerta a una nueva dimensión de comprensión de cómo el cerebro mueve el cuerpo, lo que a su vez puede proporcionar información adicional para los sistemas computacionales que impulsarán las interfaces cerebro-máquina del futuro.

«La dimensión espacial se ha ignorado en su mayoría hasta ahora, pero es un nuevo ángulo que podemos usar para comprender la función cortical», dijo Hatsopoulos. «Cuando tratamos de comprender los cálculos que realiza la corteza, debemos considerar cómo se distribuyen espacialmente las neuronas».

Los estudios futuros examinarán si se observan patrones de onda similares en movimientos más complicados, como los movimientos secuenciales en lugar del simple alcance de un punto a otro, y si la estimulación eléctrica del cerebro en forma de onda puede sesgar el movimiento del mono.

El estudio se titula «La propagación de patrones de actividad espaciotemporal a través de la corteza motora del macaco transporta información cinemática».