Cómo ahorra energía el cerebro y calcula la inteligencia

Los neurocientíficos actuales han vuelto a intentar desentrañar el misterio del cerebro y han levantado un poco el velo: han estudiado cómo este órgano, que consume tanta energía, ahorra sus propias fuerzas. En un nuevo estudio publicado en la revista Nature Communications, los científicos han combinado matemáticas avanzadas y anatomía para modelizar cómo los circuitos neuronales sincronizan su «tiempo interno» con el cableado cerebral. El resultado es un modelo que permite predecir mejor el nivel de inteligencia de una persona concreta.

Empecemos por lo básico. Nuestro cerebro es, en esencia, una maraña de miles de millones de neuronas conectadas por sustancia blanca. El mapa de estas conexiones se llama conectoma, y leerlo es más complicado que descifrar el plano del metro de Tokio. Mientras tanto, los «cables» del cerebro apenas cambian, pero las señales que circulan por ellos saltan y se transforman a cada segundo.

Y esto es lo importante: las distintas zonas del cerebro funcionan a velocidades diferentes. Por ejemplo, las áreas responsables de la vista y el oído reaccionan casi al instante, mientras que las que procesan pensamientos abstractos digieren la información mucho más despacio. Estos ritmos innatos se llaman escalas temporales intrínsecas de las neuronas.

A los ingenieros les gusta desde hace tiempo recurrir a la «teoría del control de redes» para estudiar sistemas complejos, desde las redes eléctricas hasta el tráfico urbano. Ahora esta misma teoría ayuda a simular cómo el cerebro pasa de un patrón de actividad a otro. Hasta hace poco se creía que todas las zonas del cerebro funcionaban a la misma velocidad, por lo que los modelos matemáticos resultaban demasiado simplificados.

Científicos de las universidades de Cornell y Rutgers decidieron probar algo distinto. En vez de una sola constante temporal para toda la cabeza, asignaron una «aguja del reloj» individual a cada región. Analizaron datos de decenas de jóvenes del proyecto Human Connectome Project: utilizaron resonancias magnéticas para seguir la actividad y técnicas de difusión para cartografiar la sustancia blanca.

Los investigadores desarrollaron un algoritmo que ajustaba la velocidad a la que se apagaba un estallido de actividad en cada zona del cerebro. Cuanto más rápido se extingue, más corta es la «ventana temporal»; cuanto más despacio, más larga. Una vez ajustados estos parámetros, el modelo podía predecir cómo cambiaban los estados cerebrales de un pensamiento a otro.

El resultado más curioso fue la reducción del «gasto energético» del sistema. En la teoría del control, la «energía» es una medida hipotética del esfuerzo necesario para llevar un sistema de un estado a otro. El nuevo modelo mostró que el cerebro necesita menos «empujones» de ese tipo si se tienen en cuenta las velocidades particulares de cada región. Cuanta menos energía se necesita para poner en marcha nuevos pensamientos, más eficiente es el cerebro.

Para asegurarse de que aquellos malabarismos matemáticos no hacían trampas, los investigadores comprobaron la correlación entre las escalas temporales y la expresión genética en tejido cerebral real, gracias al detallado Atlas del Cerebro Humano (Allen Human Brain Atlas). Encontraron confirmación en la actividad de determinadas neuronas inhibitorias: allí donde los procesos son rápidos hay más células con la proteína parvalbúmina; donde se ralentizan, predomina la somatostatina.

Repitieron el experimento con ratones y, pese a las diferencias de tamaño y especie, las regularidades se mantuvieron. Parece que la naturaleza no ha cambiado la receta: la combinación del cableado y los relojes neuronales individuales permite ahorrar energía a todos los mamíferos.

Pero eso no es todo: resultó que un cerebro cuyas escalas temporales encajan mejor con su estructura global funciona con más flexibilidad y recorre los distintos estados con mayor rapidez (en otras palabras, piensa más deprisa). Además, la precisión al predecir las capacidades cognitivas aumentó respecto a los modelos anteriores.

Eso sí, hay algunas salvedades: la resonancia magnética registra procesos que duran segundos, mientras que los fenómenos reales del cerebro ocurren en milisegundos. Y, al cartografiar las conexiones, hubo que suponer que todos los canales funcionan en ambos sentidos.

Ahora los científicos quieren averiguar si esta «sincronización» cambia con la edad —por ejemplo, en niños y personas mayores— y qué ocurre con los ritmos celulares en trastornos como la esquizofrenia o el autismo.

El artículo se titula “Inferring intrinsic neural timescales using optimal control theory”. Entre sus autores figuran Jason Kim, Linden Parks y sus colegas.