Investigadores del Instituto de Neurociencias desarrollan un enfoque innovador para estudiar las conexiones cerebrales

Un grupo de investigadores del Instituto de Neurociencias (IN), que es un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche, ha colaborado con un equipo del Instituto de Neurociencias de Transilvania, ubicado en Rumanía. Junto a expertos de la Universidad Politécnica de Valencia, han creado un enfoque novedoso para investigar las conexiones cerebrales mediante el uso de resonancia magnética funcional.

Este estudio, que ha sido publicado recientemente en la revista Cell Systems, presenta una forma innovadora de entender la arquitectura cerebral a través de redes funcionales dinámicas, lo cual desafía el método estático tradicional.

La conexión entre diferentes regiones cerebrales presenta una variabilidad en su velocidad, lo que genera diversos retrasos en la comunicación. “Nuestro objetivo ha sido incorporar estos retrasos al análisis de conectividad funcional para obtener un método más preciso y sensible”, explica Santiago Canals, investigador que dirige el laboratorio de Plasticidad de las Redes Neuronales en el IN.

Enfoque Innovador frente a los métodos tradicionales

El estudio ha puesto de manifiesto que los retrasos en la comunicación entre diferentes regiones cerebrales son fundamentales para comprender la organización de las redes funcionales. Además, este equipo ha utilizado un enfoque diferente al de los métodos tradicionales, que suelen promediar una única red estática. En su lugar, han adoptado una metodología que examina la evolución temporal del peso de las conexiones, enfocándose en su distribución estadística en vez de en su activación media. Esto les ha permitido identificar una arquitectura cerebral que es tanto robusta como dinámica.

Los expertos han incorporado los retrasos en la comunicación entre regiones cerebrales, lo que les ha llevado a descubrir una arquitectura cerebral robusta y dinámica.

Los hallazgos de esta investigación indican la presencia de un esqueleto funcional constituido por conexiones sólidas y sin retrasos, el cual se complementa con un elevado número de conexiones más débiles. El peso de estas conexiones varía a lo largo del tiempo, proporcionando así una flexibilidad a la arquitectura funcional. “Este enfoque dinámico permite capturar mejor la realidad del cerebro, que está en constante cambio. Nos ha permitido obtener resultados comparables en ratas, monos y humanos, y extraordinariamente consistentes cuando un mismo sujeto es escaneado de manera repetida en el tiempo, una cuestión poco habitual en el campo de la resonancia magnética”, subraya Canals.

Uno de los hallazgos más significativos del estudio es la identificación del esqueleto, que se define como un conjunto de conexiones funcionales extremadamente fuertes y estables, actuando como la columna vertebral de la comunicación en el cerebro. A pesar de que estos nodos representan menos del 10% de todas las conexiones analizadas, su papel es fundamental para la cohesión global de las redes cerebrales. Estos nodos mantienen una conectividad robusta, lo que garantiza una eficiencia en la comunicación entre diversas regiones.

“La eficiencia en la comunicación de la red se reduce dramáticamente cuando alguna de estas conexiones se ve comprometida, lo que subraya su importancia en la estructura funcional del cerebro", afirma Canals. "Por otro lado, los enlaces más débiles y dinámicos amplifican extraordinariamente los posibles estados funcionales del sistema, proporcionando flexibilidad”, concluye.

En la realización de este estudio, se han utilizado datos de resonancia magnética funcional obtenidos de ratas, primates no humanos y humanos, así como información de pacientes que padecen un trastorno por consumo de alcohol. Estos descubrimientos abren nuevas posibilidades para la identificación de biomarcadores cerebrales que sean más precisos y sensibles, capaces de detectar cambios sutiles en las redes neuronales. Esto podría tener importantes implicaciones en el diagnóstico de enfermedades neuropsiquiátricas.

Los resultados obtenidos son el resultado de un esfuerzo colaborativo a nivel internacional que ha permitido reunir a expertos de diversas disciplinas. En este contexto, Canals subraya que la investigación no habría sido viable sin un equipo multidisciplinario. El laboratorio liderado por la investigadora Maria Ercsey-Ravasz en el Instituto de Neurociencias de Transilvania (TINS) posee una amplia experiencia en la física de las redes complejas, mientras que el laboratorio bajo la dirección del investigador Raul C. Muresan, también en la misma institución, se enfoca en el desarrollo de herramientas avanzadas para el análisis de series temporales. Además, ha contribuido el grupo dirigido por el investigador David Moratal, perteneciente al Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular (CBIT) de la Universidad Politécnica de Valencia.

La financiación de este trabajo ha sido posible gracias a diversas instituciones y programas, entre los que se destacan el Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, el programa ERA-Net NEURON, y la Agencia Estatal de Investigación (AEI). Además, han contribuido el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), el Ministerio de Sanidad, Servicios Sociales e Igualdad, así como el programa PROMETEO de la Generalitat Valenciana.

También se han visto involucrados en esta iniciativa el programa Severo Ochoa en I+D para Centros de Excelencia, junto con los proyectos ERANET-FLAG-ERA-ModelDXConsciousness y ERANET-NEURON-2-UnscrAMBLY. Por último, la Autoridad Nacional Rumana para la Investigación Científica y la Innovación, así como la Sociedad Alemana de Investigación (DFG), han apoyado este esfuerzo.