Referencia: Nature.com .
Autor: Kerri Smith, 19 de septiembre 2012
Los neurocientíficos están tratando de averiguar por qué el cerebro hace tanto cuando parece estar haciendo tan poco.
Para los voluntarios, un experimento de escaneo cerebral puede ser muy exigente. Los investigadores generalmente piden a los participantes que hagan algo, ya sea resolver problemas de matemáticas, ubicar unas caras o pensar acerca de sus líderes políticos favorecidos, mientras sus cerebros están siendo escaneados.
Sin embargo, en los últimos años, algunos investigadores han estado añadiendo un poco de tiempo a sus protocolos de estudio. Mientras que los sujetos son todavía tendidos siendo explorados en la resonancia magnética funcional por imágenes (fMRI), los investigadores les pidieron que trataran de vaciar sus mentes. El objetivo es averiguar qué sucede cuando el cerebro simplemente está inactivo. Y la respuesta es que ocurren muchas cosas.
Algunos circuitos deben permanecer activos, los que controlan las funciones automáticas como la respiración y el ritmo cardíaco. Pero gran parte del resto del cerebro sigue traqueteando a medida que la mente de forma natural se pasea por listas de compras, refritos de conversaciones y ensueños en general. Dicha actividad se ha denominado estado de reposo. Y los neurocientíficos han visto evidencias de que las redes involucradas se parecen mucho a las que están activas durante las tareas.
En el estado de reposo la actividad es importante, en tanto la cantidad de energía que se le dedica es cualquiera indicacada. El flujo de sangre al cerebro durante este tiempo suele ser sólo de un 5 a un 10% menor que durante los experimentos basadas en tareas [1]. Y el estudio del cerebro en reposo debe ayudar a mostrar cómo funciona el cerebro activo. En este estado, las redes está ayudando a mapear las conexiones intrínsecas del cerebro, mostrando, por ejemplo, qué áreas del cerebro son las preferidas para hablar con otras áreas, y cómo esos patrones pueden diferir en la enfermedad.
Pero, preguntan los neurocientíficos, ¿qué es toda esta actividad? Y muchos de ellos suspiran o encogen de hombros. «Realmente estamos en el principio, mayormente son hipótesis», dice Amir Shmuel, especialista en imágenes cerebrales de la Universidad McGill en Montreal, Canadá. La actividad de reposo podría estar haciendo una labor de mantenimiento recorriendo las conexiones cerebrales cuando no están en uso. O podría estar preparando al cerebro para responder a los estímulos del futuro, o manteniendo las relaciones entre las áreas que a menudo trabajan juntas para realizar tareas. Incluso puede estar consolidando recuerdos o absorbiendo información producidos durante la actividad normal.
«Hay mucho entusiasmo ahora por este enfoque, y los conocimientos básicos son muy pocos», comenta Michael Greicius, neurocientífico de la Universidad de Stanford en California, que comenzó a estudiar el estado de reposo de estas redes desde hace ya una década.
Siempre activo
Una serie de experimentos en la década de 1990 sugirieron por primera vez que el cerebro, realmente, nunca se tomaba un descanso. Bharat Biswal, por entonces estudiante de doctorado en el Colegio Médico de Wisconsin en Milwaukee, estaba tratando de hallar formas de identificar y eliminar las señales de fondo de las exploraciones con fMRI, con la esperanza de que mejorar la interpretación de señales de las tareas. «La suposición fue que todo era ruido», señala Biswal, que ahora es ingeniero biomédico en el Instituto Tecnológico de Nueva Jersey, en Newark. Pero cuando miraba las exploraciones hechas de la gente estando en reposo, él veía fluctuaciones regulares de baja frecuencia en el cerebro [2]. Los experimentos de Biswal sugerían que dichas fluctuaciones eran causadas por la actividad neuronal.
En los primeros días de la investigación, algunas personas estaban seguras de que habían encontrado algo profundo. «Cuando empecé a mirar estas redes, estaba convencido de que estábamos tocando el flujo de la conciencia, y esto era en tiempo real, con el procesamiento consciente en marcha», reseñaba Greicius. Pero, añadió, «pronto quedamos desengañados por ese concepto». Las redes de actividad también aparecieron en los estados alterados de conciencia, como cuando se duerme o bajo los efectos de la anestesia [3], [4], por lo que no estaban necesariamente relacionados con el procesamiento consciente.
Para ellos tampoco tenía ningún sentido. Varios años después del descubrimiento de Biswal, comenzaron a emerger estudios sobre el estado de reposo. Un equipo dirigido por Marcus Raichle, neurocientífico de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, caracterizó[5] la actividad en esta red como un estado por defecto del cerebro, considerándolo su configuración inicial. Durante las tareas, es estado por defecto de la actividad se quedaba suspendido, guardado en línea, para cuando el cerebro ya no estaba centrado tan intensamente [5].
La red en modo por defecto se sumaba a decenas de otras formas de red en estado de reposo, algunos de los cuales se asemejaban a los circuitos que contribuyen a la atención, la visión, el oído o el movimiento. Estas redes parecían muy similares en todos los participantes en el estudio, aunque también son dinámicas, cambian con el tiempo. «El hecho de que esté siempre presente, pero modificables, dice mucho de su importancia», señala Michael Milham, director del Centro para el desarrollo cerebral del Instituo Infantil de Nueva York.
Sin embargo, algunos investigadores se preguntan si estos patrones de reposo representan algo real. Después de todo, el fMRI no mide la actividad eléctrica cerebral directamente, sino que monitorea el flujo sanguíneo. La actividad ralentizada de bajo nivel podría ser un mecanismo. «La gente sospechaba que los escáneres eran malos o que se trataba de ruido respiratorio», apunta Andreas Kleinschmidt, director de investigación del French National Institut de la Health and Medical Research’s Cognitive Neuroimaging Unit in Gif-sur-Yvette. Pero con el uso del fMRI y la electroencefalografía (EEG), Kleinschmidt y su equipo confirmaron [6] que varias redes en estado de reposo se correlacionan con la actividad neuronal real.
Shmuel y David Leopold, neurofisiólogo de US National Institute of Mental Health en Bethesda, Maryland, realizó muchas imágenes de estos mismos estados [7] en reposo en monos mientras grababan la actividad eléctrica del cerebro de los animales, mediante sondas implantadas profundamente en la corteza visual. Ellos descubrieron correlaciones entre las redes en reposo y la actividad eléctrica, en una banda de frecuencias alrededor de los 40 hercios. Esta «actividad γ» está asociada con la comunicación entre las áreas cerebrales distantes, y ver esto convenció a Shmuel de que las redes en estado de reposo representaban la actividad cerebral real. «Creo firmemente que hay un mecanismo neurofisiológico que subyace a toda aquello que llamamos redes en estado de reposo.»
Trastornos del pensamiento
Se trata de un mecanismo que sale mal en los trastornos cerebrales. Las personas con signos tempranos de la enfermedad de Alzheimer, por ejemplo, tienen firmas inusuales de estado de reposo que se pueden detectar incluso en niveles muy leves de demencia y que varían según progresa la enfermedad [8]. En los niños con el espectro del trastorno autista, las redes en estado de reposo pueden estar ‘hiperconectadas’, mostrando más conexiones que para los niños sin ese espectro [9]. Las razones de estas diferencias no están aún claras, y es posible que sin importar quién, todos están interesados en la búsqueda de estos marcadores de la enfermedad. «Desde la perspectiva clínica, no siempre vamos a entender por qué un biomarcador actúa como marcador biológico», señala Milham. Sin embargo, algunos neurocientíficos sienten una profunda curiosidad en cuanto a lo que hacen estas fluctuaciones. «Eso me quita el sueño», dice Timothy Ellmore, de la Universidad de Texas, en el Health Science Center en Houston, que está estudiando la actividad cerebral en reposo en pacientes con la enfermedad de Parkinson.
Algunos investigadores piensan ahora que las redes en estado de reposo pueden preparar el cerebro para responder a los estímulos. «El sistema no está sentado ahí sin hacer nada y esperando», dice Kleinschmidt. El ciclo de actividad de estas redes pueden ayudar al cerebro a utilizar experiencias pasadas para informar sus decisiones. «Es increíblemente exigente, en términos computacionales, calcular todo sobre la marcha», subraya Maurizio Corbetta, en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis. Él ha estado estudiando el estado de reposo mediante magnetoencefalografías, una técnica que mide los campos magnéticos asociados con la actividad eléctrica de las neuronas. «Si tengo patrones en curso que están adivinando lo que puede pasar en mi vida, entonces no hace falta calcularlo todo». Él lo compara con la actividad al ralentí de un vehículo. «Si su coche está listo para marchar, puedes empezar más rápido que si tienes que encender el motor.»
Pero las redes al ralentí no sólo pueden ahorrar tiempo. También pueden influir en las percepciones, aunque sea inconscientemente. Para estudiar cómo la actividad espontánea en reposo afecta a la percepción, Kleinschmidt y sus colegas, escanearon [10] los cerebros de las personas que estaban buscando a una imagen que pueda ser percibida como una cara o como florero. Los participantes del estudio que dijeron haber visto un rostro tenía una actividad más espontánea en el área fusiforme facial, una región del cerebro que procesa las caras, antes de que se les mostrra la imagen. Kleinschmidt sospecha que el cerebro está funcionando con varios modelos del mundo de fondo, listos cada uno de ellos para convertirse en realidad. «Idealmente, usted está siempre preparado para lo que pueda suceder.»
Corbetta ha descubierto pruebas en personas con daño cerebral cuya actividad en reposo puede cambiar su comportamiento. En un trabajo inédito, él halló indicios de que las lesiones en las regiones frontales del cerebro, causadas, por ejemplo, por accidentes cerebrovasculares, puede dar lugar a cambios en la actividad cerebral espontánea en zonas distantes. Es más, los cambios en la actividad de reposo están ligadas al déficit de comportamiento. «Esto es una clara evidencia de que los impedimentos del estado de reposo están afectando a la forma en que se hace cargo la red durante una tarea.»
El Zen y el arte de mantenimiento de la red
Raichle está a favor de la idea que la actividad en el estado de reposo ayuda al cerebro a mantenerse organizado. Las conexiones entre las neuronas están continuamente cambiando conforme la gente envejece y aprende, pero los seres humanos mantienen un sentido de sí mismo a través de esta agitación. La actividad espontánea podría desempeñar un papel en el mantenimiento de la continuidad. «Las conexiones entre las neuronas retornan en minutos, horas, días y semanas», señala Raichle. «Y pese a que la estructura del cerebro será diferente mañana, todavía podemos recordar quiénes somos.»
O tal vez, dicha actividad se enmarca dentro del proceso de reestructuración, tocando estas conexiones mientras estamos al ralentí. Varios equipos han informado de cambios en la conectividad de reposo después de ejecutar tareas de lenguaje y memoria y de aprendizaje motor. Chris Miall, científico del comportamiento cerebral en la Universidad de Birmingham, Reino Unido, y sus colegas, han demostrado que la actividad espontánea en reposo puede ser alterada por lo que acaba de ocurrir [11]. El equipo escaneó a los voluntarios en reposo, y posteriormente les pidió que aprendieran una tarea que implicaba el uso de un joystick para seguir un objetivo en movimiento. Cuando estos participantes fueron examinados de nuevo en reposo, el equipo pudo ver los efectos del aprendizaje motor en las redes de reposo. Este estudio, y un trabajo posterior en el mismo sentido, sugiere que «el cerebro no sólo está pensando en la cena por venir, sino también procesando el pasado reciente y convirtiendo algunos en recuerdos a largo plazo», explica Miall. Los cambios en la red son específicos de las tareas realizadas.
Trabajar sobre la consolidación de la memoria en animales respalda esta conclusión. Antes se suponía que los recuerdos del día se fortalecían durante una noche de sueño. Pues trabajando con ratas, sin embargo, Loren Frank y Mattias Karlsson, neurocientíficos de la Universidad de California, San Francisco, han descubierto [12] que la repetición y consolidación de los nuevos recuerdos se consigue bajo cualquier oportunidad, incluso cuando se está despierto. «Y esto ocurre aun cuando el animal se vea sin hacer nada», afirma Frank.
Se especula que la actividad de reposo podría estar haciendo lo mismo en el cerebro humano, reactivando patrones que se corresponden con las experiencias pasadas. Al mismo tiempo, la actividad en las redes podrían tener una normalización, una función doméstica». ¿Cómo mantener un cerebro flexible?» pregunta Frank. «Si uno tiene patrones aleatorios de actividad limpiadora a través de la red, eso puede ayudar a reducir la resistencia de las vías asociadas con aquello que has aprendido». Esto aliviaría al cerebro del continuo refuerzo de las mismas vías. «Quizá el período de desconexión también sean importantes para esa tarea.»
Shmuel dice que, todavía no es posible descartar la idea de que esta actividad sea sólo un subproducto de un cerebro vivo. La corriente fluye a través de estos circuitos, «simplemente porque hay corriente (el cerebro no está muerto) y hay conexiones anatómicas que dan a esta corriente una estructura no aleatoria». Aunque, admite, «espero que este no sea el caso. De todas formas es muy interesante.»
Puede llevar tiempo el precisar un abanico de posibilidades interesantes, ya que la naturaleza misma de la ciencia del estado de reposo hace que sea difícil poner a prueba esta hipótesis. Cuando un investigador desliza a alguien en un escáner, y le instruye a no pensar en nada en particular, no hay tarea por hacer ni hipótesis que dirigir. Así que, los investigadores tienen que generar grandes cantidades de datos y alinear las hipótesis sobre la marcha. «El estado de reposo se abre al descubrimiento científico», señala con entusiasmo Milham, antes de admitir que, tal como se formó como neurocientífico cognitivo, al impulsar esta hipótesis es una herejía que me haya metido en esto».
Cualquiera que sea la actividad que se esté haciendo en reposo, su existencia demuestra una cosa cierta, comenta sin rodeos Miall, «el cerebro sólo descansa cuando está muerto.»
– Nature 489, 356–358 (20 September 2012 doi:10.1038/489356a
– Referencia:
1. Raichle, M. E. & Mintun, M. A. Annu. Rev. Neurosci. 29, 449–476 (2006). Article |PubMed.
2. Biswal, B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M. & Hyde, J. S. Magn. Reson. Med. 34, 537–541 (1995). Article | PubMed.
3. Greicius, M. D. et al. Hum. Brain Mapp. 29, 839–847 (2008). Article | PubMed.
4. Boly, M. et al. Ann. NY Acad. Sci. 1129, 119–129 (2008). Article | PubMed.
5. Raichle, M. E. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, 676–682 (2001). Article | PubMed.
6. Laufs, H. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 100, 11053–11058 (2003). Article | PubMed.
7. Shmuel, A. & Leopold D. A. Hum. Brain Mapp. 29, 751–761 (2008). Article | PubMed.
8. Brier, M. R. et al. J. Neurosci. 32, 8890–8899 (2012). Article | PubMed.
9. Di Martino, A. et al. Biol. Psychiatry 69, 847–856 (2011). Article | PubMed.
10. Hesselmann, G., Kell, C. A., Eger, E. & Kleinschmidt, A. Proc. Natl Acad. Sci. USA 105, 10984–10989 (2008). Article | PubMed.
11. Albert, N. B., Robertson, E. M. & Miall, R. C. Curr. Biol. 19, 1023–1027 (2009). Article |PubMed.
12. Karlsson, M. P. & Frank, L. M. Nature Neurosci. 12, 913–918 (2009). Article | PubMed.
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