Mapeando la mente: un nuevo marco vincula las ondas cerebrales con los estados cognitivos individuales

La complejidad del cerebro humano (86 mil millones de neuronas con más de 100 billones de conexiones) permite el pensamiento abstracto, la adquisición del lenguaje, el razonamiento avanzado y la resolución de problemas, y la capacidad de creatividad e interacción social. Comprender cómo las diferencias en la señalización y la dinámica del cerebro producen una cognición y un comportamiento únicos en los individuos ha sido durante mucho tiempo un objetivo de la investigación en neurociencia, pero muchos fenómenos siguen sin explicación.

Un estudio realizado por neurocientíficos e ingenieros de la Universidad de Washington en St. Louis aborda esta brecha de conocimiento con un nuevo método para crear modelos cerebrales personalizados, que ofrecen información sobre la dinámica neuronal individual. Dirigido por ShiNung Ching, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Sistemas de Preston M. Green en la Escuela de Ingeniería McKelvey, y Todd Braver, profesor en el Departamento de Psicología y Ciencias del Cerebro en Artes y Ciencias, el trabajo, publicado el 1 de enero. 17 pulgadas PNASpresenta un marco novedoso que permitirá a los investigadores crear modelos cerebrales individualizados basados ​​en datos detallados de escáneres cerebrales no invasivos y de alta resolución temporal. Estos modelos personalizados tienen aplicaciones en entornos clínicos y de investigación, donde podrían respaldar los avances en neurociencia y el tratamiento de afecciones neurológicas.

«Esta investigación está motivada por nuestra necesidad de comprender la variación de la dinámica cerebral de persona a persona», dijo el primer autor Matthew Singh, quien realizó la investigación mientras era becario postdoctoral con Braver y Ching en WashU y ahora es profesor asistente en la Universidad. de Illinois Urbana-Champaign. «No estamos explicando toda la gama de mecanismos biofísicos que funcionan en el cerebro humano, pero podemos arrojar luz sobre por qué los individuos sanos tienen dinámicas cerebrales diferentes con nuestro nuevo marco de modelado, que nos brinda información sobre la mecánica cerebral y predicciones comprobables. de los fenómenos cerebrales.»

Una ventaja clave de la técnica del equipo es su capacidad para ver variaciones individuales en la generación de ondas alfa y beta y vincularlas con cambios globales en el cerebro. Estos dos tipos de ondas cerebrales, caracterizados por sus diferentes frecuencias eléctricas, están asociados a diferentes estados y funciones cognitivas. Por ejemplo, las ondas alfa están asociadas con estados relajados, como la meditación, mientras que las ondas beta están vinculadas con estados de alerta y activos, como la toma de decisiones y la resolución de problemas. La variación en la frecuencia máxima de las ondas alfa ha sido tradicionalmente una medida fiable de las diferencias individuales en el cerebro y el comportamiento.

El estudio vincula las diferencias en las oscilaciones de frecuencia alfa y beta con la variación en todo el cerebro en el equilibrio entre las neuronas excitadoras (aquellas que estimulan la actividad disparando y pasando señales a otras neuronas) y las neuronas inhibidoras (aquellas que regulan la actividad diciéndole a otras neuronas que no lo hagan). para disparar. Los investigadores validaron los modelos personalizados demostrando que podían reproducir patrones alfa y beta individuales globales y pronosticar con precisión la actividad futura de todo el cerebro, verificando el poder explicativo de su marco.

«Esta nueva técnica proporciona una poderosa herramienta para explorar los mecanismos subyacentes a la dinámica cerebral individual basándose en mediciones no invasivas de la actividad cerebral», dijo Ching. «Esto nos permitirá avanzar en la neurociencia de alto nivel, crear modelos cerebrales de precisión para individuos que puedan pronosticar la actividad cerebral futura y utilizar ese conocimiento para informar intervenciones médicas personalizadas».

«La colaboración continua, la expansión y el perfeccionamiento de nuestro modelo serán una parte clave de los próximos pasos de este proyecto», añadió Braver. «Nuestro enfoque innovador tiene el potencial de proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo la variación individual en la dinámica cerebral da como resultado diferencias en el funcionamiento cognitivo. Esperamos que este marco también pueda eventualmente informar nuevas formas de mejorar el funcionamiento cognitivo, como con la neuroestimulación».