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Científicos chilenos investigan el intenso movimiento del cerebro en estado de sueño

por El Mostrador Cultura

20 marzo, 2019

Científicos chilenos investigan el intenso movimiento del cerebro en estado de sueño

Mecanismo de multiestabilidad explica cómo este órgano mantiene su actividad constante, aún cuando la persona está dormida. Comprensión sobre el movimiento permanente del cerebro, que se ve alterado en procesos como el envejecimiento o enfermedades neurodegenerativas, podría ser aplicado al diseño de nuevos sistemas de inteligencia artificial.

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El cerebro humano está en constante funcionamiento, cambiando sus patrones de actividad, aun en ausencia de estímulos externos. Esta característica, conocida como multiestabilidad, tiende a verse alterada en procesos como el envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas. Las potenciales aplicaciones de este conocimiento van desde entender un amplio espectro de patologías cerebrales, al desarrollo de nuevas herramientas de inteligencia artificial.

Avanzar hacia una mejor comprensión de este fenómeno fue el propósito de un estudio elaborado por investigadores del Instituto Milenio, Centro Interdisciplinario de Neurociencia, de la Universidad de Valparaíso (CINV). “Quisimos aportar una nueva perspectiva de cómo un sistema neuronal puede permanecer en constante cambio, sin quedarse ‘pegado’ en un mismo estado”, asegura el Dr. Patricio Orio, investigador del CINV.

Recientemente publicado por la revista internacional Chaos, el trabajo analizó el comportamiento multiestable de las redes neuronales como un hito de la actividad cerebral permanente, y que es posible de observar en seres humanos a través de imágenes proporcionadas por resonancias magnéticas funcionales o registros encefalográficos.

Utilizando herramientas de neurociencia computacional y algoritmos matemáticos, los investigadores del CINV construyeron un modelo acotado de redes neuronales y evaluaron su comportamiento de multiestabilidad incorporando dos posibles fuentes de cambio: caos y ruido. ¿Su objetivo? Ayudar a comprender cómo se consigue esta constante actividad cerebral, evaluando si estos estímulos caóticos y aleatorios pueden motivar una mejora de la multiestabilidad.

“Todo esto tiene que ver con las nuevas maneras en que el cerebro funciona. Por siglos ha habido distintas metáforas para explicarlo: antes imaginábamos una máquina con ruedas y palancas, y ahora mucha gente se imagina que es computador. Pero nos vamos dando cuenta de que es muy distinto a todo eso, y hay un aprendizaje constante en lo que estamos viendo en estas investigaciones”, agrega el Dr. Orio.

La sincronía del cerebro

La multiestabilidad es un salto continuo entre diferentes estados cerebrales parcialmente sincronizados, producido en ausencia de estímulos externos. Se piensa que es un mecanismo importante para lidiar con la novedad sensorial y permitir una codificación eficiente de la información en un entorno externo en constante cambio. Una capacidad que se relaciona con cómo nos vinculamos con el ambiente y las tareas cotidianas que llevamos a cabo.

“No es difícil imaginarse las nefastas consecuencias que tendría concentrarse absoluta y únicamente en una tarea. A veces es muy bueno, pero tienes que tener la capacidad de prestar atención a otros estímulos ambientales, o, de lo contrario, puede traducirse en un accidente. La concentración o sincronía absoluta del cerebro en una tarea no es deseable, porque estamos en un ambiente que está cambiando y necesitamos adaptarnos a él. Además, debemos tener la capacidad de aprender nuevas cosas todos los días”, sugiere el académico del CINV.

El aprendizaje de nuevos patrones desde el ambiente, agrega el científico, también requiere que el cerebro disponga de la capacidad de explorar nuevas configuraciones de sincronía con la finalidad de codificar ambientes desconocidos. En otras palabras, el cerebro es capaz de programar nuevos repertorios de situaciones nuevas que pueden ocurrir, generando reacciones adecuadas.

De hecho, desde una perspectiva patológica, condiciones como los ataques epilépticos tienen que ver con que ciertas áreas cerebrales entran en una fase de súper sincronía, de la cual no pueden salir. Según el Dr. Orio, el estado “deseable” no es un desorden total ni una sincronía absoluta, sino un estado intermedio, que otorgue “flexibilidad para aprender”.

“En los últimos años, varios hallazgos respecto a cómo el cerebro funciona muestran que lo hace de una manera muy distinta a cómo procesa información un computador o una máquina, y eso tiene que ver con la característica de la multiestabilidad, en la cual el cerebro jamás se estaciona en un solo estado, sino que está en constante evolución. Incluso cuando no hacemos nada, está activo y pasando de un estado a otro”.

Caos, ruido y algoritmos

La multiestabilidad puede tener dos orígenes, incluso coexistintes: caos y ruido. Se dice que un sistema es caótico cuando su comportamiento es irregular, sin patrones que se repitan, pero esto surge de la complejidad del sistema y no de elementos aleatorios o azarosos. El ‘ruido’ neuronal, por otro lado, alude a fenómenos azarosos, impredecibles, y que también forman parte de la dinámica de nuestro cerebro y nuestras neuronas. ¿cuál de los dos mecanismos -caos o ruido- es más importante para establecer la multiestabilidad cerebral?

Conociendo las reglas que rigen el funcionamiento de las neuronas, se estableció una simulación numérica de una red neuronal compuesta por 250 neuronas. Ajustando la fuerza de conexión entre las neuronas, esta red puede mostrar la propiedad de la multiestabilidad.

Pero la idea era mirar un poco más allá. El modelo neuronal escogido por el Dr. Orio permite regular cuán caótica o cuán aleatoria son las neuronas.

El estudio logró determinar que un ruido moderado mejora el comportamiento multiestable de la red, resultando en patrones de sincronización más heterogéneos, pero cuando el ruido es más intenso empieza a desaparecer la multiestabilidad. Incluso, en redes compuestas por nodos no caóticos, la inducción de ruido consiguió inducir la propiedad de la multiestabilidad.

Bajo ciertas condiciones, una cantidad adecuada de ruido puede favorecer el tránsito del cerebro por distintos estados.

“La multiestabilidad no es solamente un constante cambio, sino también supone estabilidad porque el cerebro no pierde la capacidad de estacionarse en distintos patrones. Es un comportamiento dual, de lo contrario sería un desorden. El caos y el ruido son ingredientes presentes en nuestro cerebro. Caos porque tenemos una gran cantidad de neuronas con dinámicas no lineales, y ruido, porque con 80 mil millones de neuronas, hay situaciones inherentemente impredecibles”.

Un campo en boga

El funcionamiento del cerebro y propiedades como la multiestabilidad suponen un campo en boga para el desarrollo de sistemas de inteligencia artificial, en específico redes neuronales artificiales que pueden clasificar u ordenar cosas de manera eficiente. En el laboratorio del Dr. Orio, la línea de investigación apunta a describir el fenómeno en registros de actividad cerebral.

El científico explica que esta búsqueda apunta a “observar sus características temporales y cuánto duran estos supuestos estados en los que el cerebro se va estacionando. Hay cambios en patrones de sincronía que se dan en menos de un segundo y otros en intervalos de varios segundos. Además, todavía hay muchas dudas respecto a la forma es que estamos caracterizando este fenómeno en la actividad cerebral. Es una noticia en desarrollo, por así decirlo”.

El propósito de las futuras investigaciones apunta a profundizar esta comprensión inicial y la relación entre caos, ruido y rendimiento de la multiestabilidad. Eventualmente, plantea Patricio Orio, esto podría contribuir en el futuro a replicar este conocimiento a manipulaciones destinadas a reducir el impacto de enfermedades neurodegenerativas. “Esa es la pregunta en la que avanzaremos de a poco en responder”.

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