Recientemente me senté al borde de un acantilado en Abismo aliviable, mirando los rápidos a más de 100 pies debajo. El agua se precipitó a través de acantilados de arenisca antes de chocar contra una ruptura natural y girar sobre sí misma, formando múltiples remolinos hipnóticos. Durante milenios, estas aguas han tallado los magníficos muros de piedra que recubren el abismo, sustentando un ecosistema vibrante.

El cerebro puede hacer lo mismo con la cognición.

Sabemos que diferentes regiones del cerebro coordinan constantemente sus patrones de actividad, lo que da como resultado ondas que se propagan por todo el cerebro. Los diferentes tipos de ondas corresponden a diferentes estados mentales y cognitivos.

Ésa es una idea de cómo se organiza el cerebro para respaldar nuestros pensamientos, sentimientos y emociones. Pero si la dinámica del procesamiento de información del cerebro es como ondas, ¿qué sucede cuando hay turbulencia?

De hecho, el cerebro experimenta el equivalente a los “huracanes” neuronales. Chocan entre sí y, cuando lo hacen, los cálculos resultantes se correlacionan con la cognición.

Estos hallazgos provienen de un estudio único in Comportamiento humano de la naturaleza que une la neurociencia y la dinámica de fluidos para desentrañar el funcionamiento interno de la mente humana.

El equipo analizó 100 escáneres cerebrales recopilados del Proyecto Conectome Humano utilizando métodos generalmente reservados para observar patrones de flujo de agua en física. La combinación poco convencional de campos dio sus frutos: encontraron un misterioso patrón de actividad ondulatoria en espiral en el cerebro en reposo y durante tareas mentales desafiantes.

Las espirales cerebrales a menudo crecieron a partir de regiones seleccionadas que unen redes neuronales locales adyacentes. Con el tiempo, se propagan a través de la corteza, la región arrugada y más externa del cerebro.

A menudo llamada la “sede de la inteligencia”, la corteza cerebral realiza múltiples tareas. Las regiones dedicadas procesan nuestros sentidos. Otros entrelazan nuevas experiencias con recuerdos y emociones y, a su vez, toman las decisiones que nos ayudan a adaptarnos a un mundo en constante cambio.

Para que la corteza funcione correctamente, la comunicación entre cada región es clave. En una serie de pruebas, las espirales cerebrales parecen ser las mensajeras, organizando redes neuronales locales a lo largo de la corteza cerebral en un procesador informático coherente. También se dedican a una tarea cognitiva particular. Por ejemplo, cuando alguien escuchaba una historia (en comparación con resolver problemas matemáticos), los vórtices comenzaban en diferentes regiones del cerebro y creaban sus propios patrones de giro, una especie de huella digital cognitiva.

Al analizar estas huellas dactilares de ondas espirales, el equipo descubrió que podían clasificar diferentes etapas del procesamiento cognitivo utilizando únicamente imágenes cerebrales.

Encontrar turbulencias en el cerebro es otro paso hacia la comprensión de cómo funciona nuestra computadora biológica y podría inspirar la creación de futuras máquinas basadas en el cerebro.

"Al desentrañar los misterios de la actividad cerebral y descubrir los mecanismos que gobiernan su coordinación, nos estamos acercando a desbloquear todo el potencial de comprender la cognición y la función cerebral". dijo autor del estudio, el Dr. Pulin Gong de la Universidad de Sydney.

¿No serás mi vecino?

Un misterio fundamental del cerebro es cómo los destellos eléctricos de las neuronas se traducen en pensamientos, razonamiento, recuerdos e incluso conciencia.

Para desentrañarlo todo, necesitamos ascender en la pirámide del procesamiento neuronal.

Empezando por abajo: las neuronas. Para ser justos, son increíblemente sofisticados. minicomputadoras solas. También son muy entrometidos. Charlan constantemente con sus vecinos utilizando una variedad de señales químicas, llamadas neurotransmisores. Es posible que hayas oído hablar de algunos: dopamina, serotonina e incluso hormonas.

Mientras tanto, las neuronas procesan los chismes locales (transmitidos por impulsos eléctricos) y cambian su comportamiento en función de lo que escuchan. Algunas relaciones se fortalecen. Otros se rompen. De esta manera, el cerebro forma redes neuronales locales para respaldar funciones como, por ejemplo, el procesamiento visual.

"La investigación sobre la actividad cerebral ha logrado avances sustanciales en la comprensión de los circuitos neuronales locales", afirma el equipo. escribí.

Lo que falta es el panorama más amplio. Imagínese alejarse del vecindario local al mundo entero. Gracias al auge de la neurotecnología, los científicos han podido registrar regiones del cerebro cada vez más amplias. Profundizando en todos estos nuevos datos, estudios previos Hemos encontrado múltiples redes locales que contribuyen a diferentes comportamientos.

Sin embargo, muchos de estos conocimientos sobre la organización del cerebro se han centrado en las neuronas que se comunican siguiendo un patrón lineal, como datos que se desplazan a lo largo de cables ópticos submarinos. Para ampliar nuestra visión, también necesitamos buscar patrones 3D más complejos, por ejemplo, espirales o vórtices.

Hace aproximadamente dos años, el equipo aprovechó un recurso importante en la búsqueda de turbulencias en la actividad cerebral: datos de resonancia magnética funcional, que cubren toda la corteza, desde el Proyecto Conectome Humano (PS). Lanzado en 2009, el proyecto ha desarrollado múltiples herramientas para mapear el cerebro humano a escalas sin precedentes y ha generado una base de datos masiva para los investigadores. Los mapas no solo cubren la estructura del cerebro; muchos también han documentado la actividad cerebral cuando los participantes realizan diferentes tareas cognitivas.

Aquí, el equipo seleccionó imágenes cerebrales de una sección de datos de HCP. Este conjunto de datos obtuvo imágenes de la conectividad y el funcionamiento del cerebro en 1,200 adultos jóvenes sanos de entre 22 y 35 años mientras estaban en reposo o se enfrentaban a múltiples tareas mentales.

Se centraron en imágenes cerebrales de 3 cohortes de 100 personas cada una. Una cohorte estaba formada por personas completamente relajadas. A otro se le retó una tarea de lenguaje y matemáticas. La cohorte final flexionó su memoria de trabajo, es decir, se les pidió que usaran el bloc de dibujo mental que usamos para coordinar nueva información y decidir cuál debería ser nuestra próxima acción.

Con herramientas matemáticas generalmente utilizadas para descifrar flujos turbulentos, el equipo analizó datos de resonancia magnética en busca de patrones que correspondan a la cognición, en este caso, matemáticas, lenguaje y memoria de trabajo.

En pocas palabras, los análisis identificaron "el ojo de la tormenta" y predijeron con qué rapidez y amplitud se extenderían los remolinos neuronales desde allí. Se movían e interactuaban "entre ellos de una manera intrigante, lo cual era muy emocionante", dijo el equipo.

Las espirales, como huracanes, rebotaban a través de la corteza mientras giraban alrededor de centros determinados, lo que se denomina "singularidad de fase". El patrón es sorprendentemente similar a otros sistemas dinámicos en física y biología, como la turbulencia, dijeron.

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Un misterio en espiral

¿Por qué y cómo se producen estas espirales? El equipo aún no tiene todas las respuestas. Pero al profundizar más, descubrieron que las semillas de estas espirales brotan de los límites entre las redes neuronales funcionales. El equipo cree que estas formas retorcidas podrían ser esenciales para "coordinar eficazmente el flujo de actividad entre estas redes a través de su movimiento de rotación".

Las espirales giran e interactúan según la tarea cognitiva en cuestión. También tienden a girar y extenderse a regiones del cerebro denominadas "centros cerebrales", como las partes frontales del cerebro o aquellas relacionadas con la integración de sensaciones.

Pero sus interacciones son especialmente fascinantes. Según la física de las turbulencias, las espirales cerebrales que chocan entre sí transportan una gran cantidad de información. Estas ondas capturan datos en el espacio y el tiempo y propagan la información sobre la superficie de las neuronas vivas en ondas no lineales.

"Las intrincadas interacciones entre múltiples espirales coexistentes podrían permitir que los cálculos neuronales se realicen de manera distribuida y paralela, lo que conduciría a una notable eficiencia computacional", dijo Gong.

Para el Dr. Kentaroh Takagaki de la Universidad de Tokushima, que no participó en el estudio, "los resultados presentan un marcado contrapunto a la visión establecida" sobre el procesamiento de la información en la corteza.

Por ahora, las espirales cerebrales siguen siendo bastante misteriosas. Pero con más trabajo, podrían arrojar información sobre la demencia, la epilepsia y otros trastornos neurológicos difíciles.

Crédito de la imagen: Mitul Grover / Unsplash

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• Fuente: https://singularityhub.com/2023/09/15/newly-discovered-spirals-of-brain-activity-may-help-explain-cognition/