Cómo funciona el cerebro sigue siendo un rompecabezas con sólo unas pocas piezas en su sitio. De ellas, una gran pieza es en realidad una conjetura: que existe una relación entre la estructura física del cerebro y su funcionalidad.

Las tareas del cerebro incluyen la interpretación de las entradas táctiles, visuales y sonoras, así como el habla, el razonamiento, las emociones, el aprendizaje, el control fino del movimiento y muchas otras. Los neurocientíficos suponen que es la anatomía del cerebro -con sus cientos de miles de millones de fibras nerviosas- la que hace posible todas estas funciones. Los «cables vivos» del cerebro están conectados en elaboradas redes neurológicas que dan lugar a las asombrosas habilidades de los seres humanos.

Parece que si los científicos pueden trazar un mapa de las fibras nerviosas y sus conexiones y registrar el tiempo de los impulsos que fluyen a través de ellas para una función superior como la visión, deberían ser capaces de resolver la cuestión de cómo se ve, por ejemplo. Los investigadores están mejorando la cartografía del cerebro mediante la tractografía, una técnica que representa visualmente las rutas de las fibras nerviosas mediante un modelo en 3D. Y están mejorando el registro de cómo se mueve la información a través del cerebro mediante el uso de imágenes de resonancia magnética funcional mejoradas para medir el flujo sanguíneo.

Pero a pesar de estas herramientas, nadie parece estar mucho más cerca de averiguar cómo vemos realmente. La neurociencia sólo tiene una comprensión rudimentaria de cómo encaja todo.

Para solventar esta carencia, la investigación en bioingeniería de mi equipo se centra en las relaciones entre la estructura y la función del cerebro. El objetivo general es explicar científicamente todas las conexiones -tanto anatómicas como inalámbricas- que activan diferentes regiones del cerebro durante las tareas cognitivas. Estamos trabajando en modelos complejos que capten mejor lo que los científicos saben de la función cerebral.

En última instancia, una imagen más clara de la estructura y la función puede afinar las formas en que la cirugía cerebral intenta corregir la estructura y, a la inversa, la medicación intenta corregir la función.

Puntos calientes inalámbricos en la cabeza

Las funciones cognitivas, como el razonamiento y el aprendizaje, utilizan una serie de regiones cerebrales distintas de forma secuencial. La anatomía por sí sola -las neuronas y las fibras nerviosas- no puede explicar la excitación de estas regiones, simultáneamente o en tándem.

Algunas conexiones son realmente «inalámbricas». Se trata de conexiones eléctricas de campo cercano, y no de las conexiones físicas captadas en los tractogramas.

Mi equipo de investigación ha trabajado durante varios años detallando los orígenes de estas conexiones inalámbricas y midiendo sus intensidades de campo. Una analogía muy sencilla de lo que ocurre en el cerebro es cómo funciona un router inalámbrico. Internet llega a un router a través de una conexión por cable. A continuación, el router envía la información al ordenador portátil mediante conexiones inalámbricas. El sistema general de transferencia de información funciona gracias a las conexiones alámbricas e inalámbricas.

En el caso del cerebro, las células nerviosas conducen impulsos eléctricos por largos brazos en forma de hilo llamados axones desde el cuerpo celular hasta otras neuronas. A lo largo del camino, se emiten naturalmente señales inalámbricas desde porciones no aisladas de las células nerviosas. Estos puntos que carecen del aislamiento protector que envuelve al resto del axón se denominan nodos de Ranvier.

Los nodos de Ranvier permiten que los iones cargados se difundan dentro y fuera de la neurona, propagando la señal eléctrica por el axón. A medida que los iones entran y salen, se generan campos eléctricos. La intensidad y estructura de estos campos depende de la actividad de la célula nerviosa.

Aquí, en el Centro Global de Redes Neurológicas, nos centramos en cómo funcionan estas señales inalámbricas en el cerebro para comunicar información.

El mundo no lineal del cerebro

Las investigaciones sobre cómo las regiones cerebrales excitadas se corresponden con las funciones cognitivas cometen otro error cuando se basan en suposiciones que conducen a modelos demasiado simples.

Los investigadores tienden a modelar la relación como lineal con una sola variable, midiendo el tamaño medio de la respuesta de una sola región del cerebro. Es la lógica que subyace en el diseño del primer audífono: si la voz de una persona crece el doble, el oído debería responder el doble.

Pero los audífonos han mejorado mucho a lo largo de los años, ya que los investigadores han llegado a comprender mejor que el oído no es un sistema lineal, y que se necesita una forma de compresión no lineal para adaptar los sonidos generados a la capacidad del oyente. De hecho, la mayoría de los seres vivos no tienen sistemas sensoriales que respondan de forma lineal, uno a uno, a los estímulos.

Los modelos lineales asumen que si la entrada a un sistema se duplica, la salida de ese sistema también se duplicará. Esto no es cierto en los modelos no lineales, en los que pueden existir muchos valores de salida para un único valor de entrada. Y la mayoría de los científicos están de acuerdo en que los cálculos neuronales son, de hecho, no lineales.

Una cuestión crucial para entender el vínculo entre el cerebro y el comportamiento es cómo el cerebro decide el mejor curso de acción entre las alternativas que compiten. Por ejemplo, el córtex frontal del cerebro toma las decisiones óptimas calculando muchas cantidades, o variables, calculando el beneficio potencial, la probabilidad de éxito y el coste en términos de tiempo y esfuerzo. Dado que el sistema no es lineal, duplicar la recompensa potencial puede hacer que la decisión final sea mucho más que el doble de probable.

Los modelos lineales pasan por alto la rica variedad de posibilidades que pueden darse en la función cerebral, especialmente las que van más allá de lo que la estructura anatómica sugeriría. Es como la diferencia entre una representación 2D y 3D del mundo que nos rodea.

Los modelos lineales actuales sólo describen el nivel medio de excitación en una región del cerebro, o el flujo a través de una superficie cerebral. Esa es mucha menos información que la que mis colegas y yo utilizamos al construir nuestros modelos no lineales a partir de datos de resonancia magnética funcional mejorada y de bioimagen eléctrica de campo cercano. Nuestros modelos proporcionan una imagen en 3D del flujo de información a través de las superficies del cerebro y hacia las profundidades del mismo, y nos acercan a la representación de su funcionamiento.

Anatomía normal, disfunción fisiológica

A mi equipo de investigación le intriga el hecho de que personas con estructuras cerebrales de aspecto totalmente normal puedan tener importantes problemas funcionales.

Como parte de nuestra investigación sobre la disfunción neurológica, visitamos a personas en hospicios, grupos de apoyo al duelo, centros de rehabilitación, centros de traumatología y hospitales de cuidados intensivos. Nos sorprende constantemente comprobar que las personas que han perdido a sus seres queridos pueden mostrar síntomas similares a los de los pacientes diagnosticados con la enfermedad de Alzheimer.

El duelo es una serie de respuestas emocionales, cognitivas, funcionales y conductuales ante la muerte u otro tipo de pérdida. No es un estado, sino un proceso que puede ser temporal o continuo.

Los cerebros de aspecto saludable de las personas que sufren duelo fisiológico no presentan los mismos problemas anatómicos -incluyendo regiones cerebrales reducidas y conexiones interrumpidas entre redes de neuronas- que se encuentran en los de las personas con la enfermedad de Alzheimer.

Creemos que éste es sólo un ejemplo de cómo los puntos calientes del cerebro -esas conexiones que no son físicas-, más la riqueza del funcionamiento no lineal del cerebro, pueden conducir a resultados que no se podrían predecir con un escáner cerebral. Es probable que haya muchos más ejemplos.

Estas ideas pueden señalar el camino hacia la mitigación de afecciones neurológicas graves por medios no invasivos. La terapia de duelo y los dispositivos de neuromodulación eléctrica de campo cercano no invasivos pueden reducir los síntomas asociados a la pérdida de un ser querido. Tal vez estos protocolos y procedimientos deberían ofrecerse más ampliamente a los pacientes que sufren disfunciones neurológicas en las que las imágenes revelan cambios anatómicos. Podría salvar a algunos de estos individuos de procedimientos quirúrgicos invasivos.

Diagramar todos los enlaces no físicos del cerebro utilizando nuestros recientes avances en el mapeo eléctrico de campo cercano, y empleando lo que creemos que son modelos no lineales biológicamente realistas de muchas variables, nos llevará un paso más cerca de donde queremos ir. Una mejor comprensión del cerebro no sólo reducirá la necesidad de procedimientos quirúrgicos invasivos para corregir la función, sino que también conducirá a mejores modelos para lo que el cerebro hace mejor: computación, memoria, redes y distribución de información.