Señales capturadas con fMRI del cerebro de una rata, vistas encima de una imagen anatómica del animal. Las áreas contralaterales coloreadas en rojo se activan juntas al mismo tiempo, a pesar de la gran distancia entre ellas. Crédito: Joana Cabral
Han pasado más de 20 años desde que los estudios de neuroimágenes, que utilizan imágenes de resonancia magnética funcional (IRMf), una tecnología ampliamente utilizada para capturar videos en vivo de la actividad cerebral, detectaron patrones complejos de actividad cerebral correlacionada en todo el cerebro que parecen interrumpidos en una amplia gama. de trastornos neurológicos y psiquiátricos. Estos patrones se forman espontáneamente, incluso en reposo cuando no se está realizando ninguna tarea en particular, y se han detectado no solo en humanos sino también en mamíferos, incluidos monos y roedores.
Aunque dichos patrones espaciales de activación correlacionada se han detectado de manera constante en los centros de neuroimagen de todo el mundo, la naturaleza de estas correlaciones no estaba clara. “Todavía no entendemos completamente cómo se comunica el cerebro a largas distancias. Sabemos que las áreas distantes exhiben correlaciones de señales y que están implicadas en la función cerebral, pero no entendemos completamente su naturaleza”, dice Noam Shemesh, investigador principal del Laboratorio de resonancia magnética preclínica de la Fundación Champalimaud, en Lisboa, y autor principal. de un estudio publicado el 6 de febrero de 2023 en la revista Nature Communications es una revista científica multidisciplinaria, de acceso abierto y revisada por pares, publicada por Nature Portfolio. Abarca las ciencias naturales, incluidas la física, la biología, la química, la medicina y las ciencias de la tierra. Comenzó a publicar en 2010 y tiene oficinas editoriales en LondresBerlín, Nueva York y Shanghái.
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“En este estudio, queríamos entender qué hay debajo de esas correlaciones e investigar los mecanismos involucrados”, enfatiza Shemesh.
Varios trabajos teóricos habían propuesto que estos patrones podrían explicarse por ondas estacionarias (cuyos picos y valles no se mueven en el espacio) que resuenan en la estructura del cerebro, es decir, por ondas análogas a los modos de vibración de los instrumentos musicales. Pero hubo poca evidencia experimental para respaldar esta hipótesis debido a la baja resolución temporal de la fMRI, alcanzando solo una o dos imágenes por segundo. «Si pudiéramos encontrar que los patrones espaciales oscilan, esto proporcionaría evidencia que respalda la hipótesis de la resonancia», dice Joana Cabral, primera autora del estudio, del Instituto de Investigación de Ciencias de la Vida y la Salud de la Universidad de Minho y científico visitante en Shemesh’s. laboratorio desde 2019.
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El video muestra que la actividad cerebral capturada con fMRI se puede reconstruir como la superposición de una pequeña cantidad de ondas estacionarias macroscópicas, o modos resonantes, que oscilan en el tiempo. Crédito: Joana Cabral
Entonces, lo que hizo el equipo fue acelerar la adquisición de imágenes y descubrieron que las señales en regiones cerebrales distantes en realidad oscilan juntas en el tiempo. “Estos patrones oscilatorios parecen un análogo de mayor dimensión de los modos de resonancia en los instrumentos musicales; son similares a reverberaciones, a ecos dentro del cerebro”, dice Cabral.
«Nuestros datos muestran que los patrones espaciales complejos son el resultado de modos subyacentes que oscilan de forma transitoria e independiente, al igual que los instrumentos individuales participan en la creación de una pieza más compleja en una orquesta», dice Shemesh. “Los distintos modos, cada uno de los cuales aporta algo a la imagen general en diferentes escalas de tiempo y diferentes longitudes de onda, se pueden sumar, generando patrones macroscópicos complejos similares a los observados experimentalmente. [see below]. Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que la actividad cerebral capturada con fMRI se reconstruye como la superposición de ondas estacionarias”, señala.
Por lo tanto, el nuevo estudio apunta fuertemente a un papel clave para estas ondas resonantes, o modos, en la función cerebral. Estos fenómenos resonantes, creen los autores, están en la raíz de la actividad cerebral coherente y coordinada que se necesita para el funcionamiento normal del cerebro en su conjunto.
resonancia magnética ultrarrápida
Los investigadores detectaron los modos resonantes en ratas en estado de reposo, lo que significa que los animales no fueron sometidos a ningún estímulo externo específico. De hecho, no se necesitaban tareas, ya que, como ya se mencionó, incluso cuando nosotros (y los mamíferos en general) no estamos haciendo nada en particular, nuestros cerebros continúan generando patrones de actividad espontáneos que pueden ser capturados por fMRI.
Para visualizar las oscilaciones, los investigadores crearon «videos» de actividad utilizando el potente escáner de resonancia magnética experimental de campo ultraalto en el laboratorio de Shemesh y realizaron experimentos ultrarrápidos desarrollados hace algún tiempo por ese laboratorio para otros fines.
“Noam y yo nos conocimos en 2019 y decidimos obtener registros de la actividad cerebral con la máxima resolución temporal que pudiéramos lograr en el escáner de 9,4 teslas de su laboratorio”, recuerda Cabral. “Noam diseñó los experimentos, Francisca Fernandes [the third author of the study] los realicé, y yo hice el análisis de datos y la visualización. Noam logró alcanzar una resolución temporal de 26 imágenes por segundo y, por lo tanto, obtuvo 16 000 imágenes por escaneo de 10 minutos (en lugar de 600 imágenes con la resolución típica de una imagen por segundo)”.
Como olas en el océano
“Cuando vimos por primera vez los videos de la actividad cerebral registrada, vimos claras ondas de actividad, como olas en el océano, propagándose en patrones complejos dentro de la corteza y el cuerpo estriado. [a subcortical region of the forebrain]”, dice Cabral. “Y descubrimos que las señales podían describirse mediante la superposición de un pequeño número de ondas estacionarias macroscópicas, o modos resonantes, que oscilan en el tiempo. En particular, se encontró que cada onda estacionaria cubre áreas extendidas del cerebro, con picos distribuidos en distintas estructuras corticales y subcorticales, formando redes funcionales”.
Los investigadores experimentaron con ratas en tres condiciones diferentes: sedadas, ligeramente anestesiadas y profundamente anestesiadas. (De hecho, los animales fueron ligeramente sedados en estado de reposo, para evitarles molestias). «La configuración espacial de estas ondas estacionarias fue muy consistente en las ratas escaneadas en las mismas condiciones», señala Cabral.
Shemesh agrega: “Demostramos que las redes funcionales del cerebro están impulsadas por fenómenos de resonancia. Esto explica las correlaciones que se observan de otro modo cuando se obtienen imágenes lentas. Las interacciones cerebrales de largo alcance están gobernadas por un ‘flujo’ de información que es oscilatorio y repetitivo”.
Estados patológicos
También encontraron que aumentar la cantidad de anestésico reduce el número, la frecuencia y la duración de las ondas estacionarias resonantes. Como ya se mencionó, estudios previos han demostrado que ciertos patrones de activación cerebral se alteran constantemente en los trastornos de la conciencia. Entonces, este diseño experimental, dice Cabral, en realidad también estaba destinado a imitar diferentes estados patológicos.
“Las redes funcionales aparecen interrumpidas en varios trastornos neurológicos y psiquiátricos”, señala. Si se confirma en humanos, especula, sus resultados también podrían conducir al uso de modos resonantes como biomarcadores de enfermedades.
“Nuestro estudio también proporciona una nueva ‘pista’ para observar la enfermedad”, corrobora Shemesh. “Sabemos que la actividad cerebral de largo alcance se ve fuertemente afectada por la enfermedad, pero no entendemos por qué ni cómo. Comprender el mecanismo de las interacciones de largo alcance podría conducir a una forma completamente nueva de caracterizar la enfermedad y sugerir el tipo de tratamiento que puede ser necesario: por ejemplo, si un paciente no tuviera un modo de resonancia específico, podríamos querer encontrar formas para estimular ese modo particular.”
Obviamente, se necesitará más trabajo para confirmar todos estos resultados, están de acuerdo los investigadores, y si son replicables en humanos. Pero “una vez que comprendamos mejor la naturaleza de las redes funcionales, podremos diseñar estrategias informadas para modular estos patrones de red”, dice Cabral.
Este es precisamente el tema del nuevo proyecto de los investigadores, “BRAINSTIM: Predicción de estrategias de estimulación para modular las interacciones entre áreas del cerebro”. Financiado por la Fundación “la Caixa” y el banco portugués BPI, con 300.000 euros, es una colaboración entre el Instituto de Ciencias de la Vida y la Salud de la Universidade do Minho y la Fundación Champalimaud, y su objetivo es comprender mejor el impacto de distintas estimulaciones cerebrales farmacológicas y electromagnéticas en la modulación de estos modos oscilatorios a macroescala.
Referencia: «Modos oscilatorios intrínsecos a macroescala que impulsan la conectividad funcional de largo alcance en cerebros de ratas hembra detectados por resonancia magnética funcional ultrarrápida» por Joana Cabral, Francisca F. Fernandes y Noam Shemesh, 6 de febrero de 2023, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-023-36025-x
