Las ondas cerebrales ‘viajeras’ pueden ser críticas para la cognición

Las oscilaciones eléctricas que llamamos ondas cerebrales han cautivado a los científicos y al público durante más de un siglo. Pero su función, o incluso si funcionan, en lugar de simplemente reflejar la actividad cerebral como el zumbido de un motor, aún se debate. Muchos neurocientíficos han planteado la hipótesis de que si las ondas cerebrales hacen algo, es oscilando sincronizadas en diferentes lugares. Sin embargo, un creciente cuerpo de investigación muestra que muchas ondas cerebrales son en realidad «ondas viajeras» que se mueven físicamente a través del cerebro como las olas del océano.

Ahora, un nuevo estudio realizado por un equipo de la Universidad de Columbia dirigido por el neurocientífico Joshua Jacobs muestra que las ondas viajeras son comunes en la corteza humana, hogar de funciones cognitivas superiores, y que se vuelven más organizadas, dependiendo de qué tan bien el cerebro realiza tareas de grado. Esto sugiere que las ondas están involucradas en el comportamiento, lo que respalda investigaciones anteriores que muestran que son un mecanismo cerebral importante pero pasado por alto que contribuye a la memoria, la percepción, la atención e incluso la conciencia.

Las ondas cerebrales se descubrieron por primera vez mediante la tecnología de electroencefalografía (EEG), que consiste en colocar electrodos en el cuero cabelludo. Los investigadores han notado actividad en un rango de diferentes frecuencias, desde ondas delta (0,5 a 4 hercios) hasta gamma (25 a 140 hercios). El más lento ocurre durante el sueño profundo, y la frecuencia aumenta a medida que aumentan los niveles de atención y conciencia. La interpretación de los datos del EEG es difícil porque dificultan la localización de la actividad, y al pasar por la cabeza oscurece la señal. El nuevo estudio, publicado en la revista Neuron en junio, utilizó una técnica más nueva llamada electroencefalografía cortical (ECoG). Esto incluye colocar conjuntos de electrodos directamente en la superficie del cerebro, minimizando la distorsión y mejorando en gran medida la resolución espacial.

Los científicos han propuesto muchas funciones posibles para las ondas cerebrales. Una hipótesis importante es que las oscilaciones sincronizadas ayudan a «unir» información en diferentes lugares porque pertenecen a la misma «cosa», como las diferentes características de un objeto visual (forma, color, movimiento, etc.). Una idea relacionada es que facilitan la transferencia de información entre regiones. Pero tal suposición requiere que las ondas cerebrales estén sincronizadas, produciendo «ondas estacionarias» (similares a dos personas saltando una cuerda para saltar) en lugar de ondas viajeras (como un grupo de personas haciendo «ondas» en un evento deportivo). Esto es importante porque las ondas viajeras tienen diferentes propiedades y pueden, por ejemplo, representar información sobre el estado pasado de otras ubicaciones del cerebro. El hecho de que viajen físicamente en el cerebro a través del aire como el sonido los convierte en un mecanismo potencial para mover información de un lugar a otro.

Estas ideas han existido durante décadas, pero la mayoría de los neurocientíficos prestan poca atención. Una posible razón es que, hasta hace poco, la mayoría de los informes sobre ondas viajeras, aunque hubo excepciones, describían estas ondas sin determinar su significado. «Si le pregunta al neurocientífico de sistemas promedio, dirá que es un fenómeno secundario [like an engine’s hum]», dijo Terry Sejnowski, un neurocientífico computacional del Instituto Salk de Estudios Biológicos que no participó en el nuevo estudio. «Y dado que nunca estuvo directamente relacionado con ningún comportamiento o función, no importó. «

Las herramientas que usaron los investigadores también pueden haber jugado un papel. La neurociencia convencional actual tiene su origen en el uso de microelectrodos en forma de aguja para estudiar el comportamiento de una neurona a la vez. Investigadores pioneros en el campo notaron que el tiempo de activación de las neuronas variaba de un experimento a otro. Llegaron a la conclusión de que el momento no debe importar y comenzaron a combinar las respuestas de múltiples ensayos para producir una «tasa de fuego» promedio. Esto se convirtió en un método estándar para cuantificar la actividad neuronal, pero la variabilidad podría provenir de dónde se encuentra la neurona en un ciclo de oscilación, por lo que esta práctica ignora la información temporal necesaria para revelar las ondas viajeras. «Este marco conceptual se deriva de lo que las neuronas individuales hacen por su cuenta», dijo Sejnowski, pero «el cerebro funciona a través de interacciones entre grupos de neuronas». Debido a que las ondas viajeras contienen la actividad de muchas neuronas distribuidas por todo el cerebro, son invisibles para tecnología de una sola neurona. Pero en la última década, han surgido nuevas tecnologías que permiten monitorear muchas neuronas simultáneamente. «Nos dio una imagen muy diferente», dijo Sejnowski. «Por primera vez, tenemos las herramientas y técnicas para comprender lo que realmente está sucediendo, pero pasará una generación antes de que sea adoptado por la comunidad neurocientífica madura».

Los métodos ópticos, como los tintes sensibles al voltaje, permiten a los investigadores visualizar cambios eléctricos en miles de neuronas simultáneamente, pero no pueden usarse en humanos debido a los riesgos que presentan. Sin embargo, ECoG se usa comúnmente en pacientes con epilepsia para investigar las convulsiones. Entonces, los investigadores detrás del nuevo estudio reclutaron a 77 pacientes con epilepsia con matrices ECoG implantadas y se dispusieron a buscar ondas viajeras. Primero buscaron grupos de electrodos que mostraran oscilaciones a la misma frecuencia. Casi dos tercios de los electrodos formaban parte de dichos grupos, que estaban presentes en el 96 % de los pacientes (frecuencia de 2 a 15 Hz, que abarcaba la banda theta de 4 a 8 Hz y la banda alfa de 8 a 12 Hz). A continuación, los investigadores evaluaron qué grupos representaban verdaderas ondas viajeras analizando el momento de las oscilaciones. Si las oscilaciones continuas son parte de una onda viajera, cada oscilación se retrasa o avanza ligeramente, dependiendo de la dirección de viaje. (Piense en cómo las personas en una multitud se siguen entre sí con un ligero retraso). Dos tercios de los grupos detectados eran ondas viajeras que se movían desde la parte posterior de la corteza hacia el frente. Estos involucraron a casi la mitad de todos los electrodos y ocurrieron en todos los lóbulos y en ambos hemisferios del cerebro del paciente.

A continuación, el equipo asignó a los participantes una tarea de memoria de trabajo y descubrió que las ondas viajeras en sus lóbulos frontal y temporal se organizaban más medio segundo después de que se les pedía a las personas que recordaran información. Las olas pasaron de moverse en todas direcciones a moverse mayoritariamente al unísono. Es importante destacar que la medida en que lo hicieron varió según la rapidez con que respondieron los participantes. «Olas más consistentes corresponden a un mejor desempeño de tareas», dijo Jacobs. «Esto sugiere una nueva forma de medir la actividad cerebral para comprender la cognición, lo que podría conducir a interfaces cerebro-computadora nuevas y mejoradas». .)

Los hallazgos deberían ayudar a disipar algunas de las dudas persistentes de los investigadores sobre la importancia de la ola. «Este artículo hace una contribución significativa al estudio de las ondas viajeras corticales, y se suma a investigaciones previas sobre su papel en la cognición humana», dijo David Alexander, psicólogo de la Universidad de Lovaina en Bélgica, que no participó en el trabajo. «Esto realmente elimina cualquier preocupación de que la onda sea causada por una señal borrosa a través del cráneo». También dijo que los autores hacen afirmaciones poco razonables sobre la novedad de los hallazgos y no reconocen algunas de las investigaciones anteriores. «Investigaciones previas sobre las ondas viajeras han demostrado que se evocan durante las tareas de memoria de trabajo», dijo, señalando un estudio de EEG de 2002 que encontró que el momento de la inversión de la dirección de la onda theta se correlacionaba con el rendimiento de la memoria. Curiosamente, un estudio de EEG publicado por el propio Alexander en 2009 encontró que las personas que experimentaron un primer episodio de esquizofrenia tenían menos ondas que se movían desde la parte frontal hacia la parte posterior de la cabeza en una tarea de memoria de trabajo en comparación con las personas sanas. Esto sugiere que el comportamiento diferencial de ondas viajeras puede estar relacionado con síntomas psiquiátricos. También afirma que el método que utilizó el equipo para evaluar las ondas viajeras es similar al que utilizó en un estudio de 2022. «El trabajo de Alexander es realmente interesante, pero no está claro si sus hallazgos contienen la misma señal que nuestro artículo», señaló Jacobs. “Los patrones que informó en realidad involucraban a todo el cerebro, mientras que nuestros hallazgos se limitaban a regiones específicas.” Jacobs también señaló las diferencias en las técnicas de registro y la naturaleza de las señales registradas.

Reconocer la importancia de las ondas viajeras abre nuevos horizontes en la neurociencia. «El descubrimiento de que oscilaciones tan amplias son ondas viajeras sugiere que están involucradas en la coordinación de la actividad de diferentes regiones del cerebro», dijo Jacobs. “Esto abre nuevas áreas críticas de investigación, como la comprensión de los aspectos específicos de esta coordinación.” Argumenta que las ondas propagan información, al menos en el contexto del estudio actual.

Otra idea es que las ondas modulan la sensibilidad de las neuronas pasando repetidamente a través de las placas corticales, barriendo así el «foco» de atención a través de áreas del cerebro, como el procesamiento visual. «El concepto de ondas viajeras está estrechamente relacionado con la cuestión de cómo mantener la corteza en la posición óptima, donde es más sensible a otras entradas y puede funcionar de manera óptima», dijo Sejnowski. Sin duda, el interés por las ondas viajeras seguirá creciendo. «Lo que estamos viendo ahora es un cambio de un marco conceptual a un marco completamente nuevo», agregó. «Es un cambio de paradigma».