Mapa de la conciencia: dónde activa el cerebro a la persona
Los científicos han elaborado un mapa de las regiones profundas del cerebro que actúan como nodos de conexión para la corteza cerebral, la capa responsable del pensamiento complejo y la percepción consciente. El estudio se ha publicado en la revista Human Brain Mapping. Sus resultados podrían ayudar a elegir con más precisión las zonas que se estimulan en pacientes en coma y con otros trastornos graves de la conciencia.
La conciencia se sostiene gracias al intercambio constante de información entre dos niveles del cerebro. Las estructuras subcorticales, situadas cerca del tronco encefálico, regulan la activación básica y la vigilia. La corteza cerebral permite la atención, la percepción, la toma de decisiones y otras formas complejas de actividad consciente. Si una lesión grave daña las vías que conectan ambos niveles, la persona puede entrar en coma o desarrollar otro trastorno de la conciencia.
Hoy se utilizan impulsos eléctricos, ultrasonidos y fármacos de acción dirigida para intentar restablecer esas conexiones. Pero la eficacia del tratamiento depende de que el objetivo se elija con precisión. Por eso, los investigadores buscan «cruces» profundos conectados a varias redes corticales importantes.
El equipo de Morgan K. Cambareri, del Massachusetts General Hospital y la Boston University, analizó imágenes de 168 voluntarios sanos. Los datos se habían recopilado en el marco del Human Connectome Project, un amplio programa dedicado a cartografiar las conexiones del cerebro humano. Se utilizó resonancia magnética funcional en un equipo de 7 teslas. Este método muestra cambios en el flujo sanguíneo relacionados con la actividad cerebral; los participantes simplemente permanecieron tumbados en el escáner con los ojos abiertos, sin realizar ninguna tarea especial.
Los científicos estudiaron seis redes corticales: la red por defecto, activa durante el descanso y la ensoñación; la red de control ejecutivo, relacionada con la toma de decisiones; la red de saliencia, que detecta señales importantes o potencialmente peligrosas; la red dorsal de atención; la red visual; y la red somatomotora, responsable del movimiento y el tacto.
Para relacionar estos sistemas con las regiones profundas del cerebro, los investigadores aplicaron un método de descomposición tensorial. A diferencia de los enfoques que obligan a las redes a encajar en límites rígidos y mutuamente excluyentes, esta herramienta matemática permite que se solapen en el espacio y el tiempo, algo que refleja mejor el funcionamiento real del cerebro.
Como resultado, encontraron nodos subcorticales sincronizados con varias redes corticales a la vez. Las conexiones más fuertes aparecieron en regiones que los médicos ya habían utilizado para tratar trastornos de la conciencia. El área ventral tegmental del mesencéfalo estaba conectada con cuatro redes. El núcleo centrolateral y el núcleo parafascicular del tálamo, estructuras cercanas al centro del cerebro que actúan como importantes «conmutadores» de señales sensoriales y motoras, mostraron propiedades similares.
También encontraron otro nodo en el tegmento pontomesencefálico, una región del tronco encefálico. Coincidía prácticamente con zonas cuya lesión traumática suele provocar el coma. Esta coincidencia anatómica refuerza la hipótesis de que la región participa en el mantenimiento de la conciencia.
Los nodos del tronco encefálico y del tálamo interactuaban especialmente con la red por defecto y la red de saliencia. En otras palabras, estos sistemas podrían ayudar a las estructuras profundas del cerebro a poner al organismo en estado de vigilia y a dirigir la atención hacia acontecimientos importantes.
Las conexiones no eran solo sincrónicas. Algunas regiones se activaban junto con las redes visual y de atención, pero al mismo tiempo reducían la actividad de la red por defecto. Entre las otras estructuras ampliamente conectadas figuraban la amígdala, el hipocampo, el putamen y la cabeza del núcleo caudado, regiones relacionadas con las emociones, la memoria, el movimiento y la conducta.
Un hallazgo especialmente llamativo fue el núcleo del lecho de la estría terminal, conectado con las seis redes estudiadas: de forma positiva con cuatro y en oposición de fase con dos, como un complejo nodo de distribución.
Sin embargo, el estudio no demuestra que las regiones encontradas «enciendan» directamente la conciencia. La resonancia magnética funcional registra coincidencias en el flujo sanguíneo, pero no muestra la dirección de las señales eléctricas. Por tanto, no se puede afirmar con seguridad si un nodo subcortical envía instrucciones a la corteza o, al contrario, las recibe de ella. Además, una conectividad elevada tampoco equivale a controlar la conciencia: por ejemplo, la cabeza del núcleo caudado está conectada con numerosas redes, pero los datos clínicos anteriores la relacionan con la conducta y las funciones cognitivas, no con la vigilia básica.
Además, el análisis no incluyó la red límbica, relacionada con las emociones y la memoria. También es difícil hacer coincidir con precisión las diminutas estructuras subcorticales de 168 personas: sobre todo en el tronco encefálico, el procesamiento de las imágenes puede introducir pequeñas distorsiones.
El siguiente paso será combinar la resonancia magnética funcional con el registro eléctrico directo. Así, los científicos podrán determinar cuándo se activa exactamente un nodo subcortical y si su señal provoca el despertar de los demás sistemas. En el estudio participaron Morgan K. Cambareri, Andreas Horn, Laura D. Lewis, Jian Li y Brian L. Edlow. El trabajo se titula «Subcortical Hubs of Brain Networks Sustaining Human Consciousness».
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El estudio de Morgan K. Cambareri, Andreas Horn, Laura D. Lewis, Jian Li, Brian L. Edlow y sus colegas analiza los nodos subcorticales conectados con las redes de la conciencia humana. El trabajo se publicó en Human Brain Mapping con el título «Subcortical Hubs of Brain Networks Sustaining Human Consciousness».
La conciencia depende de la interacción entre las estructuras subcorticales y la corteza cerebral. Las regiones subcorticales, situadas cerca del tronco encefálico, contribuyen a mantener la activación y la vigilia. La corteza permite la percepción compleja, la atención, la toma de decisiones y el pensamiento consciente. El daño a las conexiones entre ambos niveles puede provocar coma u otros trastornos de la conciencia. Por eso, los métodos médicos, como la estimulación eléctrica, los ultrasonidos y los fármacos dirigidos, requieren elegir con precisión sus objetivos subcorticales.
Los investigadores analizaron imágenes de 168 voluntarios sanos del Human Connectome Project. Utilizaron resonancia magnética funcional de 7 teslas en estado de reposo. El método registra cambios en el flujo sanguíneo relacionados con la actividad cerebral, sin exigir que la persona realice tareas. Los científicos estudiaron seis redes corticales: la red por defecto, la de control ejecutivo, la de saliencia, la red dorsal de atención, la visual y la somatomotora.
Para analizar las conexiones emplearon la descomposición tensorial, que permite que las redes se solapen en el espacio y el tiempo. Esto debería reflejar el funcionamiento biológico del cerebro con más precisión que los modelos con límites rígidos y mutuamente excluyentes. Compararon las señales subcorticales con los mapas de redes corticales y localizaron regiones físicas conectadas simultáneamente con varios sistemas.
Encontraron nodos potentes en el área ventral tegmental del mesencéfalo, los núcleos centrolateral y parafascicular del tálamo, y el tegmento pontomesencefálico del tronco encefálico. Esta última región coincide con zonas cuya lesión traumática se asocia al coma. Los nodos del tronco encefálico y del tálamo interactuaban especialmente con la red por defecto y la red de saliencia.
Las conexiones podían ser positivas o negativas: una región podía activarse junto con las redes visual y de atención y, al mismo tiempo, inhibir la red por defecto. También se observaron conexiones amplias en la amígdala, el hipocampo, el putamen y la cabeza del núcleo caudado. Estas estructuras se relacionan con las emociones, la memoria, el movimiento, la conducta y las funciones cognitivas.
Un nodo singular fue el núcleo del lecho de la estría terminal, conectado con las seis redes estudiadas. Presentaba una correlación positiva con cuatro y negativa con dos.
Los autores subrayan las limitaciones del trabajo. La resonancia magnética funcional muestra correlaciones del flujo sanguíneo, pero no la dirección de las señales eléctricas; por ello, no permite establecer si los nodos subcorticales dirigen la corteza o reciben instrucciones de ella. La conectividad, por sí sola, no demuestra que una región controle la conciencia. El análisis tampoco incluyó la red límbica, importante para las emociones y la memoria. Además, al hacer coincidir los límites de estructuras pequeñas entre distintas personas pueden producirse errores, sobre todo en el tronco encefálico.
En el futuro, los investigadores planean combinar la neuroimagen funcional con el registro eléctrico directo. Esto permitirá determinar cuándo se activan los nodos subcorticales y comprobar si provocan la activación de los demás sistemas cerebrales.
