El cerebro humano a menudo se considera un enigma insondable, y aunque la ciencia sabe que nuestra función cerebral es el resultado de la transmisión de señales entre miles de millones de neuronas conectadas, ahora se descubrió que lo que en realidad influye en esas transmisiones es la forma de nuestro cerebro.
Durante décadas los científicos aceptaron la hipótesis de que las 86 mil millones de neuronas en el cerebro, conectadas por billones de enlaces, deben controlar las actividades cerebrales y que solo necesitamos conocer los patrones de estas conexiones para revelar los misterios que rodean a nuestro cerebro.
Sin embargo un nuevo estudio publicado en la revista Nature desafió esta teoría y propuso una nueva hipótesis: que la forma del cerebro es en realidad lo que más influye en nuestras actividades cerebrales como pensar, sentir, comportarse, etc.
El estudio innovador
El estudio realizado por la Universidad de Monash, Australia, se basó en la hipótesis de que el sistema nervioso no debe ser una excepción a la dinámica de muchos sistemas naturales que están limitados por su estructura subyacente.
Por ejemplo, la morfología de las proteínas determina con qué moléculas interactuarán; la forma del lecho del río da forma a las corrientes submarinas; y la forma de los tambores influye en sus propiedades acústicas.
Así que los científicos realizaron un experimento en el que 255 personas realizaban tareas como tocar los dedos y tomaron imágenes de resonancia magnética (IRM) de sus cerebros.
También reunieron 10,000 mapas diferentes de actividad cerebral humana de otros experimentos similares en todo el mundo y crearon un modelo informático del vínculo entre el tamaño del cerebro y las ondas cerebrales.
Compararon este modelo con el anterior existente que alinea la actividad cerebral con las actividades de las neuronas como la clave para la función del cerebro y descubrieron que el nuevo modelo en realidad muestra una mejor reconstrucción de la actividad cerebral en las imágenes de resonancia magnética.
El autor principal del estudio, James Pang, investigador en la Universidad de Monash, comparó las ondas del cerebro con el efecto dominó en un estanque, con la analogía de que la forma y el tamaño del estanque moldearían el aspecto de las ondas.
“La geometría es bastante importante porque guía cómo se vería la ola, lo que a su vez se relaciona con los patrones de actividad que se ven cuando las personas realizan diferentes tareas”, dijo Pang a NBCNews.
Modos propios: un nuevo aspecto del estudio
Los autores afirman que utilizaron los patrones conocidos como «modos propios».
Los modos propios surgen del concepto de valores propios y vectores propios en álgebra lineal, y en el contexto de un sistema físico, los valores propios corresponden a las frecuencias a las que el sistema puede oscilar, y los vectores propios describen la distribución espacial o el patrón de la oscilación.
Por ejemplo, si observamos una cuerda que vibra fija en ambos extremos, los modos propios de la cuerda representan las diferentes formas en que puede vibrar con frecuencias y patrones específicos.
Los modos propios son relevantes en diversas áreas de la ciencia y de la ingeniería, incluidas la electromagnética, la acústica, la mecánica estructural y la mecánica cuántica, y se utilizan para comprender el comportamiento y las propiedades de los sistemas complejos y para analizar la respuesta de estos sistemas a estímulos externos o condiciones de contexto.
Dos de los autores de este estudio, James Pang y Alex Fornito, explican cómo aplicaron exactamente el concepto de modos propios en su trabajo en un artículo para The Conversation.
“Descubrimos esta estrecha relación entre la forma y la función al examinar los patrones naturales de excitación que pueden ser respaldados por la anatomía del cerebro. En estos patrones, llamados ‘modos propios’, diferentes partes del cerebro se excitan a la misma frecuencia», dijeron.
“Considere las notas musicales tocadas por una cuerda de violín. Las notas surgen de patrones vibratorios preferidos de la cuerda que ocurren en frecuencias resonantes específicas. Estos patrones preferidos son los modos propios de la cadena. Están determinados por las propiedades físicas de la cuerda, como su longitud, densidad y tensión.
“De manera similar, el cerebro tiene sus propios patrones de excitación preferidos, que están determinados por sus propiedades anatómicas y físicas. Nos propusimos identificar qué propiedades anatómicas específicas del cerebro afectan más fuertemente a estos patrones”.
Los investigadores concluyeron que la forma del cerebro es más precisa para evaluar la actividad cerebral.
“Intentamos describir cada mapa de actividad usando modos propios basados en la conectividad del cerebro y modos propios basados en la forma del cerebro. Descubrimos que los modos propios de la forma del cerebro, no la conectividad, ofrecen la descripción más precisa de estos diferentes patrones de activación”, dijeron Pang y Fornito.
Sin embargo, otro neurocientífico, David Van Essen, profesor de la Universidad de Washington en St. Louis, cree que la mayoría de los investigadores todavía creen en la hipótesis original de que la actividad cerebral se debe a la comunicación de las células nerviosas, y especialmente de sus axones, que actúan como un cable en el proceso de transferencia de información entre las células nerviosas.
“La hipótesis inicial fundamental es que el cableado del cerebro es fundamental para comprender cómo funciona el cerebro”, dijo Van Essen a NBC.
Van Essen se muestra escéptico acerca de estos nuevos hallazgos. Plantea la preocupación de que los modelos se basan en la forma promedio de los cerebros de los participantes, mientras que en realidad hay una diferencia en los patrones de los pliegues de la superficie del cerebro.
“Sería un eufemismo decir que esta es una teoría controvertida, y realmente necesita ser puesta a prueba para evaluar críticamente si resiste la prueba del tiempo”, dijo.
Otra preocupación de Van Essen es la precisión de las lecturas de la resonancia magnética cuando se trata del cableado del cerebro.
«Tan emocionante e informativo como es, aún es inexacto en aspectos fundamentales e incompleto, y deja mucho por resolver para estudios futuros”, dijo con respecto a la tecnología de resonancia magnética.
Ventajas de esta investigación
Sin embargo, los investigadores han dicho que la nueva investigación no disminuye el papel de la comunicación entre las células nerviosas, pero sí contribuye a la comprensión del papel clave que juega la forma del cerebro en todo el proceso.
“Lo que muestra el trabajo es que la forma tiene una influencia más fuerte, pero no significa que la conectividad no sea importante”, explicó Pang.
Señaló que la nueva hipótesis tiene una ventaja significativa en que la forma del cerebro es mucho más fácil de medir que el cableado del cerebro, por lo que evaluar las curvas y el tamaño del cerebro puede ayudar a avanzar esta investigación en varias direcciones, como el papel de la forma del cerebro para el desarrollo de enfermedades neurológicas y psiquiátricas.
Otra ventaja podría ser la capacidad de medir la velocidad a la que viajan las ondas cerebrales en las distintas partes del cerebro, lo que puede predecir cómo las personas procesan la información y puede ayudar con enfermedades como la depresión y la esquizofrenia, piensa Pang.
Sin embargo, Pang cree que esta investigación también es fuerte en la forma del cerebro de base individual.
“Estamos bastante seguros de que la influencia está realmente ahí”, dijo a NBC.
“Nuestro enfoque se basa en siglos de trabajo en física e ingeniería. En estos campos, la función de un sistema se entiende con respecto a las restricciones impuestas por su estructura, representadas por los modos propios del sistema”, escribió Pang para ScienceAlert.
“Este enfoque no ha sido utilizado tradicionalmente en neurociencia. En cambio, los métodos típicos de mapeo cerebral se basan en estadísticas complejas para cuantificar la actividad cerebral sin ninguna referencia a la base física y anatómica subyacente de esos patrones”.
Argumentan que el nuevo enfoque abre posibilidades para estudiar cómo la forma del cerebro afecta la función a través de la evolución, el desarrollo, el envejecimiento y las enfermedades cerebrales.
“Nuestro descubrimiento también ofrece beneficios prácticos inmediatos, ya que los modos propios de la forma del cerebro son mucho más simples de cuantificar que los de la conectividad cerebral”, dijeron los investigadores.
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