Metaestabilidad en el cerebro - Metastability in the brain
En el campo de la neurociencia computacional , la teoría de la metaestabilidad se refiere a la capacidad del cerebro humano para integrar varias partes funcionales y producir oscilaciones neuronales de manera cooperativa y coordinada, proporcionando la base para la actividad consciente .
La metaestabilidad, un estado en el que las señales (como las ondas oscilatorias) caen fuera de su estado de equilibrio natural pero persisten durante un período prolongado de tiempo, es un principio que describe la capacidad del cerebro para dar sentido a señales ambientales aparentemente aleatorias. En los últimos 25 años, el interés en la metaestabilidad y el marco subyacente de la dinámica no lineal se ha visto impulsado por los avances en los métodos mediante los cuales las computadoras modelan la actividad cerebral.
Visión general
El EEG mide la actividad eléctrica general del cerebro que se puede observar en la superficie del cráneo. En la teoría de la metaestabilidad, las salidas de EEG producen oscilaciones que pueden describirse como patrones identificables que se correlacionan entre sí en ciertas frecuencias . Cada neurona en una red neuronal normalmente genera una forma de onda oscilatoria dinámica, pero también tiene la capacidad de generar una forma de onda caótica . Cuando las neuronas se integran en la red neuronal interconectando neuronas entre sí, las oscilaciones dinámicas creadas por cada neurona se pueden combinar para formar oscilaciones EEG altamente predecibles.
Al identificar estas correlaciones y las neuronas individuales que contribuyen a las oscilaciones EEG predecibles, los científicos pueden determinar qué dominios corticales se procesan en paralelo y qué redes neuronales están entrelazadas. En muchos casos, la metaestabilidad describe instancias en las que las partes distales del cerebro interactúan entre sí para responder a los estímulos ambientales.
Dominios de frecuencia de la metaestabilidad
Se ha sugerido que una faceta integral de la dinámica del cerebro que subyace al pensamiento consciente es la capacidad del cerebro para convertir señales aparentemente ruidosas o caóticas en patrones oscilatorios predecibles.
En las oscilaciones de EEG de las redes neuronales, las frecuencias de forma de onda vecinas se correlacionan en una escala logarítmica en lugar de una escala lineal . Como resultado, las frecuencias medias en bandas oscilatorias no pueden enlazarse de acuerdo con la linealidad de sus frecuencias medias. En cambio, las transiciones de fase están vinculadas de acuerdo con su capacidad para acoplarse con cambios de fase adyacentes en un estado constante de transición entre sincronización de fase estable e inestable . Esta sincronización de fase forma la base del comportamiento metaestable en las redes neuronales.
El comportamiento metaestable ocurre en el dominio de alta frecuencia conocido como régimen 1 / f . Este régimen describe un entorno en el que se ha inducido una señal ruidosa (también conocida como ruido rosa ), donde la cantidad de potencia que emite la señal en un determinado ancho de banda (su densidad espectral de potencia ) es inversamente proporcional a su frecuencia.
El ruido en el régimen 1 / f se puede encontrar en muchos sistemas biológicos, por ejemplo, en la salida de un latido del corazón en una forma de onda de ECG , pero tiene un propósito único para la sincronía de fase en las redes neuronales. En el régimen 1 / f , el cerebro se encuentra en el estado crítico necesario para una respuesta consciente a señales ambientales débiles o caóticas porque puede cambiar las señales aleatorias a formas de onda oscilatorias identificables y predecibles. Si bien a menudo son transitorias, estas formas de onda existen en una forma estable el tiempo suficiente para contribuir a lo que se puede pensar como una respuesta consciente a los estímulos ambientales.
Teorías de la metaestabilidad
Actividad oscilatoria y dinámica de coordinación.
El modelo de sistema dinámico , que representa redes compuestas por sistemas neuronales integrados que se comunican entre sí entre las fases inestable y estable, se ha convertido en una teoría cada vez más popular que sustenta la comprensión de la metaestabilidad. La dinámica de coordinación forma la base de este modelo de sistema dinámico al describir fórmulas matemáticas y paradigmas que gobiernan el acoplamiento de los estímulos ambientales a sus efectores.
Historia de la dinámica de coordinación y el modelo Haken-Kelso-Bunz (HKB)
El llamado modelo HKB es una de las teorías más antiguas y respetadas para describir la dinámica de coordinación en el cerebro. En este modelo, la formación de redes neuronales se puede describir en parte como autoorganización , donde las neuronas individuales y los pequeños sistemas neuronales se agregan y coordinan para adaptarse o responder a estímulos locales o para dividir el trabajo y especializarse en la función.
En los últimos 20 años, el modelo HKB se ha convertido en una teoría ampliamente aceptada para explicar los movimientos y comportamientos coordinados de las neuronas individuales en grandes redes neuronales de extremo a extremo. Originalmente, el modelo describía un sistema en el que las transiciones espontáneas observadas en los movimientos de los dedos podrían describirse como una serie de movimientos en fase y fuera de fase.
A mediados de la década de 1980, se pidió a los sujetos que movieran un dedo en cada mano en dos modos de dirección: primero, conocido como fuera de fase, ambos dedos se movían en la misma dirección hacia adelante y hacia atrás (como se mueven los limpiaparabrisas) ; y el segundo, conocido como en fase, donde ambos dedos se juntan y se alejan hacia y desde la línea media del cuerpo. Para ilustrar la dinámica de coordinación, se pidió a los sujetos que movieran sus dedos fuera de fase con una velocidad creciente hasta que sus dedos se movieran lo más rápido posible. A medida que el movimiento se acercaba a su velocidad crítica, se encontró que los dedos de los sujetos pasaban de un movimiento fuera de fase (como un limpiaparabrisas) a un movimiento en fase (hacia el movimiento de la línea media).
El modelo HKB, que también ha sido dilucidado por varios descriptores matemáticos complejos, sigue siendo una forma relativamente simple pero poderosa de describir sistemas aparentemente independientes que llegan a alcanzar la sincronía justo antes de un estado de criticidad autoorganizada .
Evolución de la dinámica de la coordinación cognitiva
En los últimos 10 años, el modelo HKB se ha reconciliado con modelos matemáticos avanzados y computación basada en supercomputadoras para vincular la dinámica de coordinación rudimentaria con procesos de orden superior como el aprendizaje y la memoria.
El EEG tradicional sigue siendo útil para investigar la coordinación entre diferentes partes del cerebro. La actividad de la onda gamma de 40 Hz es un ejemplo destacado de la capacidad del cerebro para modelarse dinámicamente y es un ejemplo común de dinámica de coordinación. El estudio continuo de estas y otras oscilaciones ha llevado a una conclusión importante: analizar las ondas como si tuvieran una fase de señal común pero una amplitud diferente conduce a la posibilidad de que estas señales diferentes tengan una función sinérgica .
Algunas características inusuales de estas ondas: son prácticamente simultáneas y tienen una latencia de inicio muy corta, lo que implica que operan más rápido de lo que permitiría la conducción sináptica ; y que sus patrones reconocibles a veces se ven interrumpidos por períodos de aleatoriedad . Esta última idiosincrasia ha servido de base para asumir una interacción y transición entre subsistemas neuronales. El análisis de la activación y desactivación de regiones de la corteza ha mostrado un cambio dinámico entre la dependencia y la interdependencia , lo que refleja la naturaleza metaestable del cerebro como una función de un sistema dinámico coordinado.
La resonancia magnética funcional , las matrices de electrodos a gran escala y la MEG amplían los patrones observados en el EEG al proporcionar una confirmación visual de la dinámica coordinada. El MEG, que proporciona una mejora sobre el EEG en la caracterización espacio-temporal, permite a los investigadores estimular ciertas partes del cerebro con señales ambientales y observar la respuesta en un modelo cerebral holístico . Además, MEG tiene un tiempo de respuesta de aproximadamente un milisegundo , lo que permite una investigación prácticamente en tiempo real del encendido y apagado activo de partes seleccionadas del cerebro en respuesta a señales ambientales y tareas conscientes.
Dinámica de coordinación social y el complejo phi
Un campo en desarrollo en la dinámica de la coordinación involucra la teoría de la coordinación social, que intenta relacionar la CD con el desarrollo humano normal de señales sociales complejas siguiendo ciertos patrones de interacción. Este trabajo tiene como objetivo comprender cómo la interacción social humana está mediada por la metaestabilidad de las redes neuronales. La resonancia magnética funcional y el electroencefalograma son particularmente útiles para mapear la respuesta talamocortical a las señales sociales en estudios experimentales.
JA Scott Kelso y otros investigadores de la Florida Atlantic University han desarrollado una nueva teoría llamada complejo phi para proporcionar resultados experimentales para la teoría de la dinámica de la coordinación social. En los experimentos de Kelso, dos sujetos fueron separados por una barrera opaca y se les pidió que movieran los dedos; luego se quitó la barrera y se indicó a los sujetos que continuaran moviendo los dedos como si no hubiera ocurrido ningún cambio. Después de un corto período, los movimientos de los dos sujetos a veces se coordinaron y sincronizaron (pero otras veces continuaron siendo asincrónicos). El vínculo entre el EEG y la interacción social consciente se describe como Phi, uno de varios ritmos cerebrales que operan en el rango de 10 Hz. Phi consta de dos componentes: uno para favorecer el comportamiento solitario y otro para favorecer el comportamiento interactivo ( interpersonal ). Un análisis más detallado de Phi puede revelar las implicaciones sociales e interpersonales de enfermedades degenerativas como la esquizofrenia, o puede proporcionar información sobre las relaciones sociales comunes como la dinámica de los machos alfa y omega o el efecto espectador popular que describe cómo las personas difunden la responsabilidad personal en situaciones de emergencia. dependiendo del número de otros individuos presentes.
Núcleo dinámico
Una segunda teoría de la metaestabilidad involucra el llamado núcleo dinámico , que es un término para describir vagamente la región talamocortical que se cree que es el centro de integración de la conciencia . La hipótesis del núcleo dinámico (DCH) refleja el uso y desuso de redes neuronales interconectadas durante la estimulación de esta región. Un modelo informático de 65.000 neuronas en punta muestra que los grupos neuronales que existen en la corteza y el tálamo interactúan en forma de oscilación sincrónica. La interacción entre distintos grupos neuronales forma el núcleo dinámico y puede ayudar a explicar la naturaleza de la experiencia consciente. Una característica crítica del DCH es que en lugar de pensar de manera binaria sobre las transiciones entre la integración neuronal y la no integración (es decir, que las dos son una u otra sin intermediarios), la naturaleza metaestable del núcleo dinámico puede permitir un continuo de integración.
Darwinismo neuronal
Una teoría utilizada para integrar el núcleo dinámico con el pensamiento consciente implica un concepto en desarrollo conocido como darwinismo neuronal . En este modelo, las interacciones metaestables en la región talamocortical provocan un proceso de seleccionismo a través de la reentrada (un fenómeno que describe la reciprocidad e interactividad generales entre señales en partes distantes del cerebro a través de la latencia de señales acopladas). La selectividad neuronal implica eventos mecanoquímicos que tienen lugar antes y después del nacimiento en los que las conexiones neuronales están influenciadas por experiencias ambientales. La modificación de las señales sinápticas en lo que respecta al núcleo dinámico proporciona una explicación más detallada del DCH.
A pesar de la creciente evidencia del DCH, la capacidad de generar construcciones matemáticas para modelar y predecir el comportamiento dinámico del núcleo ha avanzado lentamente. El desarrollo continuo de procesos estocásticos diseñados para graficar señales neuronales como caóticas y no lineales ha proporcionado una base algorítmica para analizar cómo se acoplan las señales ambientales caóticas para mejorar la selectividad del crecimiento neuronal o la coordinación en el núcleo dinámico.
Hipótesis del espacio de trabajo global
La hipótesis del espacio de trabajo global es otra teoría para dilucidar la metaestabilidad y ha existido de alguna forma desde 1983. Esta hipótesis también se centra en el fenómeno del reingreso, la capacidad de una rutina o proceso para ser utilizado por múltiples partes del cerebro simultáneamente. Tanto el modelo DCH como el del espacio de trabajo neuronal global (GNW) implican el reingreso, pero el modelo GNW se basa en la conectividad reentrante entre partes distantes del cerebro y el flujo de señales de largo alcance. Las neuronas del espacio de trabajo son similares anatómicamente pero separadas espacialmente unas de otras.
Un aspecto interesante del GNW es que con suficiente intensidad y longitud sobre la que viaja una señal, una pequeña señal de iniciación puede combinarse para activar un "encendido" de un estado crítico inductor de picos. Esta idea es análoga a un esquiador en la ladera de una montaña que, al romper unos bloques de hielo con sus esquís, inicia una avalancha gigante a su paso. Para ayudar a probar la teoría de la amplificación similar a un circuito, la investigación ha demostrado que la inducción de lesiones en conexiones de larga distancia corrompe el rendimiento en modelos integradores.
Un experimento popular para demostrar la hipótesis del espacio de trabajo global consiste en mostrarle a un sujeto una serie de palabras visuales enmascaradas hacia atrás (p. Ej., "El perro duerme tranquilamente" se muestra como "ylteiuq deletrea dios eht" ) y luego pedirle al sujeto que identifique el avance " traducción "de estas palabras. La fMRI no solo detectó actividad en la porción de reconocimiento de palabras de la corteza, sino que además, la actividad a menudo se detecta en las cortezas parietal y prefrontal . En casi todos los experimentos, la entrada consciente en tareas de palabra y audición muestra un uso mucho más amplio de partes integradas del cerebro que en información inconsciente idéntica. La amplia distribución y la transferencia constante de señales entre diferentes áreas del cerebro en los resultados experimentales es un método común para intentar probar la hipótesis del espacio de trabajo neuronal. Se están realizando más estudios para determinar con precisión la correlación entre la deliberación de tareas consciente e inconsciente en el ámbito del espacio de trabajo global.
La teoría de la arquitectura operativa del cerebro-mente
Aunque el concepto de metaestabilidad ha existido en la neurociencia durante algún tiempo, Andrew y Alexander Fingelkurts han desarrollado la interpretación específica de la metaestabilidad en el contexto de operaciones cerebrales de diferente complejidad dentro de su modelo de arquitectura operativa del funcionamiento cerebro-mente . La metaestabilidad es básicamente una teoría de cómo coexisten en el cerebro las tendencias integradoras globales y segregativas locales. La Arquitectura Operativa se centra en el hecho de que en el régimen metaestable de funcionamiento del cerebro, las partes individuales del cerebro exhiben tendencias a funcionar de manera autónoma al mismo tiempo que exhiben tendencias para la actividad coordinada. De acuerdo con Operational Architectonics, las operaciones sincronizadas producidas por conjuntos neuronales distribuidos constituyen los patrones espacio-temporales metaestables. Son metaestables porque las diferencias intrínsecas en la actividad entre los ensamblajes neuronales son lo suficientemente grandes como para que cada uno haga su propio trabajo (operación), al tiempo que conserva una tendencia a coordinarse entre sí para realizar la compleja operación del cerebro.
El futuro de la metaestabilidad
Además del estudio que investiga los efectos de las interacciones metaestables en la función social tradicional, muchas investigaciones probablemente se centrarán en determinar el papel del sistema dinámico coordinado y el espacio de trabajo global en la progresión de enfermedades debilitantes como la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson , el accidente cerebrovascular y esquizofrenia. Sin lugar a dudas, las técnicas de imágenes espaciotemporales como la MEG y la fMRI se basarán en los resultados ya obtenidos del análisis de la salida de EEG.
En los últimos cinco años se ha desarrollado un interés en el efecto de una lesión cerebral traumática o semi-traumática ( LCT ) en el sistema dinámico coordinado, a medida que ha aumentado el número de casos de LCT por lesiones relacionadas con la guerra.