El modelo de computadora simula ensueños

Aunque todo el mundo sueña despierto, la forma en que el cerebro crea sueños ha sido oscura.

Ahora, los científicos han creado un modelo virtual del cerebro que sueña despierto como lo hacen los humanos.

Soñar despierto se define tradicionalmente como un desapego a corto plazo del entorno inmediato e incluye la fantasía visionaria de pensamientos, esperanzas o ambiciones felices y agradables. A menudo, las ensoñaciones ocurren cuando una persona se aburre con las tareas rutinarias.

En el nuevo estudio, los investigadores crearon el modelo de computadora basado en la dinámica de las células cerebrales y las muchas conexiones que esas células hacen con sus vecinas y con células en otras regiones del cerebro.

Esperan que el modelo les ayude a comprender por qué ciertas partes del cerebro trabajan juntas cuando una persona sueña despierta o está mentalmente inactiva. Esto, a su vez, podría algún día ayudar a los médicos a diagnosticar y tratar mejor las lesiones cerebrales.

"Podemos dar a nuestro modelo de lesiones como las que vemos en un accidente cerebrovascular o cáncer de cerebro, desactivando grupos de células virtuales para ver cómo se ve afectada la función cerebral", dijo el autor principal Maurizio Corbetta, M.D., de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis. "También podemos probar formas de hacer que los patrones de actividad vuelvan a la normalidad".

El estudio ya está disponible en línea en La Revista de Neurociencia.

Los científicos reconocieron por primera vez a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000 que el cerebro permanece ocupado incluso cuando no está involucrado en tareas mentales.

Los investigadores han identificado varias redes cerebrales en "estado de reposo", que son grupos de diferentes regiones del cerebro que tienen niveles de actividad que suben y bajan en sincronía cuando el cerebro está en reposo. También han vinculado las interrupciones en las redes asociadas con lesiones y enfermedades cerebrales con problemas cognitivos en la memoria, la atención, el movimiento y el habla.

El nuevo modelo fue desarrollado para ayudar a los científicos a aprender cómo la estructura anatómica del cerebro contribuye a la creación y mantenimiento de redes en estado de reposo.

Los investigadores comenzaron con un proceso para simular pequeños grupos de neuronas, incluidos factores que disminuyen o aumentan la probabilidad de que un grupo de células envíe una señal.

“En cierto modo, tratamos pequeñas regiones del cerebro como unidades cognitivas: no como células individuales sino como grupos de células”, dijo el coautor Gustavo Deco, Ph.D.

“La actividad de estas unidades cognitivas envía señales excitadoras a las otras unidades a través de conexiones anatómicas. Esto hace que las unidades conectadas sean más o menos propensas a sincronizar sus señales ".

Con base en los datos de los escáneres cerebrales, los investigadores reunieron 66 unidades cognitivas en cada hemisferio y las interconectaron en patrones anatómicos similares a las conexiones presentes en el cerebro.

Los científicos establecieron el modelo para que las unidades individuales pasaran por el proceso de señalización a bajas frecuencias aleatorias que se habían observado previamente en células cerebrales en cultivo y en registros de actividad cerebral en reposo.

A continuación, los investigadores dejaron correr el modelo, cambiando lentamente el acoplamiento o la fuerza de las conexiones entre las unidades. Con un valor de acoplamiento específico, las interconexiones entre unidades que envían impulsos pronto comenzaron a crear patrones coordinados de actividad.

“A pesar de que iniciamos las unidades cognitivas con niveles de actividad bajos aleatorios, las conexiones permitieron que las unidades se sincronizaran”, dijo Deco.

"El patrón espacial de sincronización que finalmente observamos se aproxima muy bien, alrededor del 70 por ciento, a los patrones que vemos en los escáneres de cerebros humanos en reposo".

El uso del modelo para simular 20 minutos de actividad cerebral humana llevó a un grupo de potentes computadoras 26 horas. Pero los investigadores pudieron simplificar las matemáticas para hacer posible ejecutar el modelo en una computadora típica.

"Este modelo de cerebro completo más simple nos permite probar una serie de hipótesis diferentes sobre cómo las conexiones estructurales generan la dinámica de la función cerebral en reposo y durante las tareas, y cómo el daño cerebral afecta la dinámica del cerebro y la función cognitiva", dijo Corbetta.

Fuente: Universidad de Washington en St. Louis