Cómo la segunda ley de la termodinámica ayuda al estudio del cerebro

Albert Einstein explicó lo siguiente en sus Notas autobiográficas de 1949: «Una teoría es más impresionante cuanto mayor es la simplicidad de sus premisas, cuanto más cosas diferentes relaciona y más ampliada su área de aplicación. De ahí la profunda impresión que dejó la termodinámica clásica». sobre mí. Es la única teoría física de contenido universal que estoy convencido nunca será derrocada, dentro del marco de aplicabilidad de sus conceptos básicos».

Los principios de la termodinámica son aplicables a cualquier sistema. Desde la comprensión de los motores, las reacciones químicas, la expansión del universo o los agujeros negros, hasta el estudio de los estados cerebrales

Investigadores del Grupo de Neurociencia Computacional del Centro de Cerebro y Cognición (CBC) de la UPF, en colaboración con universidades de Argentina, Australia, China, Europa y Reino Unido, han publicado recientemente un estudio en el que muestran cómo ha funcionado la segunda ley de la termodinámica. les ayudó a comprender y generar un biomarcador robusto para distinguir estados cerebrales.

“Nuestro grupo lleva muchos años estudiando cómo cambia la dinámica del cerebro en diferentes estados, por ejemplo, entre el sueño y la vigilia y la actividad cognitiva activa, o durante el coma, o en pacientes con enfermedades neurológicas”, explica Gustavo Deco, director del grupo e investigador ICREA. “La idea de fondo es que el cerebro funciona como una orquesta, con un director y jefes de sección (violines, viento, cuerdas, etc.) y dependiendo de nuestro estado, estas jerarquías cambian y se transforman, y es entonces cuando logramos distinguir las cosas. . Un sistema jerárquico es donde hay una o más zonas que toman el relevo, que lideran otras áreas”.

Este cambio se puede cuantificar midiendo cómo están funcionalmente conectados a cada estado del cerebro. En el estudio publicado en la revista Biología de las Comunicacioneslos investigadores cuantificaron esta jerarquía, pero no solo midiendo las interacciones entre las distintas partes del cerebro mediante una técnica llamada fMRI (Imágenes por Resonancia Magnética Funcional), que permite ver la actividad cerebral, sino utilizando un truco basado en la segunda ley de termodinámica que dice que un sistema tiende a pasar de un comportamiento ordenado a uno más aleatorio con el paso del tiempo.

Este aumento en el nivel de desorden se conoce como «entropía». A medida que pasa el tiempo, y si aumenta la entropía, significa que el sistema no está en equilibrio y es irreversible en el tiempo, es decir, no podemos saber en qué punto se encuentra. Por el contrario, si la entropía no crece o no se produce, entonces es un sistema en equilibrio y, como tal, reversible en el tiempo.

Un ejemplo del aumento de entropía, donde el sistema es irreversible, sería un vídeo sobre un cristal que se rompe, y si vemos la película al revés o hacia delante podemos saber fácilmente cuándo nos encontramos (antes o después de que se rompa el cristal, por ejemplo). ).

En cambio, un sistema en el que la entropía no aumenta, es decir, es reversible, sería un vídeo sobre una partida de billar, el momento en el que dos bolas chocan y rebotan. Dado que reproducir el video hacia adelante o hacia atrás proporciona imágenes idénticas, no podemos distinguir en qué punto nos encontramos.

«Al cuantificar la relación entre las diferentes partes del cerebro, se rompe la simetría», explica Deco. “Si muevo la serie de señales de un lado a otro, y las comparo como hice con las películas, podré saber de qué sistema se trata: uno reversible no es jerárquico. Uno no reversible es ‘jerárquico’. sistema.»

Al aplicar esta lógica, los investigadores vieron que la técnica es un buen biomarcador de la conciencia cerebral. En experimentos con humanos, los datos de fMRI mostraron que existen diferencias entre el estado de reposo y la vigilia y cuando realizamos tareas cognitivas. “Vimos que a medida que realizamos más tareas cognitivas, tenemos más irreversibilidad, es decir, el sistema es más jerárquico y, por el contrario, al no ser conscientes, disminuye la irreversibilidad, es decir, el sistema es menos jerárquico. , continúa Deco. “Este es un muy buen biomarcador ya que es muy sensible y nos está diciendo que hay un mecanismo detrás, y esto sirve muy bien para poder clasificar los diferentes estados cerebrales, especialmente aquellos en los que no hay un consenso claro, como coma».

Este es un tema muy práctico ya que la clasificación de estados ayuda a definir los tratamientos y expectativas de los pacientes. Disponer de un buen biomarcador que caracterice cualquier tipo de enfermedad neuropsiquiátrica, accidente cerebrovascular, infarto e incluso depresión es el primer paso. “Luego hay que modelarlo y hay que utilizar el modelo in silico para probar todas las perturbaciones que son posibles y que además son individualizadas, para cada persona, para determinar el mejor plan de acción para tratar a cada paciente. Este tipo de abordaje es de gran interés traslacional, es decir, por aplicar los resultados de esta investigación básica a la industria», concluye.

Proporcionado por la Universitat Pompeu Fabra – Barcelona