Las huellas dactilares individualizadas de las ondas cerebrales del sueño proporcionan una nueva y poderosa herramienta para comprender la enfermedad

Un equipo dirigido por investigadores del Brigham and Women’s Hospital, miembro fundador del sistema de atención médica Mass General Brigham, en estrecha colaboración con investigadores del Mass General Hospital y el Beth Israel Deaconess Medical Center, ha desarrollado una poderosa herramienta computacional para comprender la salud y las enfermedades del cerebro, proporcionando una forma mejorada de caracterizar la actividad del cerebro durante el sueño.

Los investigadores idearon un nuevo método que extrae decenas de miles de eventos eléctricos de las ondas cerebrales de una persona dormida. La información de estas formas de onda se utiliza luego para crear una imagen de la actividad cerebral que parece actuar como una huella dactilar, única para cada persona y constante de una noche a la siguiente. Luego utilizaron su enfoque para identificar nuevos biomarcadores potenciales en la actividad cerebral de las personas con esquizofrenia. Sus hallazgos se publican en la revista, Dormir.

El becario postdoctoral, Patrick Stokes, Ph.D., fue el primer autor del estudio y el autor principal fue Michael Prerau, Ph.D., neurocientífico asociado y director del Núcleo de procesamiento de señales neurofisiológicas en la División de trastornos del sueño y circadianos. en el Brigham.

«Este trabajo amplía la forma en que podemos observar la actividad cerebral durante el sueño», dijo Prerau. «Al ir más allá de las nociones tradicionales que dividen el complejo continuo del sueño en categorías específicas y clases de formas de onda, podemos revelar nuevos tipos de señales y dinámicas que pueden ser importantes para comprender la salud y la enfermedad del cerebro».

Los científicos suelen estudiar la actividad cerebral durante el sueño mediante el electroencefalograma o EEG, que mide las ondas cerebrales en el cuero cabelludo. A partir de mediados de la década de 1930, el EEG del sueño se estudió por primera vez observando los rastros de ondas cerebrales dibujadas en una cinta de papel por una máquina. Muchas características importantes del sueño todavía se basan en lo que la gente podía observar con mayor facilidad hace casi un siglo en los trazos de formas de onda complejas.

Incluso los últimos algoritmos de aprendizaje automático y procesamiento de señales para detectar formas de onda del sueño se juzgan en función de su capacidad para recrear la observación humana. En este estudio, los investigadores preguntaron: ¿Qué podemos aprender si ampliamos nuestra noción de las ondas cerebrales del sueño más allá de lo que históricamente era fácil de identificar a simple vista?

Un conjunto particularmente importante de eventos de ondas cerebrales del sueño se llama husos del sueño. Estos husos son formas de onda de oscilación corta, que generalmente duran menos de 1 o 2 segundos, que están vinculadas a nuestra capacidad para convertir recuerdos a corto plazo en recuerdos a largo plazo. Los cambios en la actividad del huso se han relacionado con numerosos trastornos como la esquizofrenia, el autismo y la enfermedad de Alzheimer, así como con el envejecimiento natural.

En este estudio, en lugar de buscar actividad de huso de acuerdo con la definición histórica, el equipo desarrolló un nuevo enfoque para extraer automáticamente decenas de miles de eventos de forma de onda de huso corto de los datos de EEG durante toda la noche. Luego, en lugar de observar las formas de onda en términos de etapas fijas del sueño (es decir, etapas 1 a 3 de vigilia, REM y no REM) como lo hacen los estudios estándar del sueño, caracterizaron el continuo completo de cambios graduales que ocurren en el cerebro durante dormir.

Con todos estos datos, el equipo creó representaciones gráficas denominadas potencia de oscilación lenta e histogramas de fase, que proporcionan una potente visualización de la actividad de todas las formas de onda en función de la profundidad del sueño continuo y la actividad sincronizada en la corteza. «Esto demuestra aún más la riqueza de la información que la puntuación manual tradicional deja sobre la mesa», dijo el coautor Shaun Purcell, Ph.D., del Departamento de Psiquiatría del Brigham.

Cuando el equipo observó a un grupo de participantes sanos, cada uno con dos noches de registros de sueño, los patrones observados parecían ser casi como huellas dactilares, altamente específicos de cada persona con una fuerte consistencia a lo largo de las noches. Estos resultados sugieren nuevas formas en las que la actividad cerebral difiere de una persona a otra, incluso dentro de grupos de personas sanas seleccionadas como grupos de control.

Luego, los investigadores compararon la actividad entre los sujetos sanos y una población de personas con esquizofrenia, un trastorno que reduce la actividad del huso. Usando su enfoque, el equipo no solo vio las diferencias conocidas en los participantes con esquizofrenia, sino que también encontró diferencias en otras formas de onda similares a husos que ocurren en otras frecuencias en el cerebro. Esto sugiere nuevos biomarcadores EEG potenciales de la esquizofrenia que podrían ser útiles para comprender mejor los mecanismos del trastorno y en el desarrollo de tratamientos específicos.

«Este enfoque es realmente emocionante», dijo la coautora Dara Manoach, Ph.D., del Departamento de Psiquiatría del Hospital General de Massachusetts. «Esperamos ver cómo podemos mejorar nuestra comprensión, no solo de la esquizofrenia, sino también de otros trastornos del neurodesarrollo caracterizados por diferencias en el sueño, como el autismo y la epilepsia pediátrica».

«Estamos empezando a comprender el alcance de la neurodiversidad que existe dentro de la población general», dijo Prerau. «Si podemos caracterizar con mayor precisión las diferencias individuales observadas tanto en la salud como en la enfermedad neurológica, podemos trabajar para mejorar los diagnósticos y tratamientos».