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Número Especial sobre las Redes Complejas y el Cerebro.

La Teoría de las Redes Complejas comprende una serie de herramientas metodológicas para el análisis de las propiedades topológicas y dinámicas de un conjunto de sistemas en interacción. Este es el paradigma de los sistemas complejos, donde la interacción entre sus elementos da lugar a fenómenos emergentes que no podrían explicarse mediante el análisis de sus componentes por separado.

 

¿Cómo puede ayudar la Teoría de las Redes Complejas (TRC) a entender mejor el funcionamiento del cerebro? A responder a esta cuestión se dedica el último número de la prestigiosa revista Philosophical Transactions of the Royal Society, en cuya edición han participado investigadores del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) junto a colegas de la Universidad de Cambridge.

Este número especial pone el foco de atención en el desarrollo de nuevas metodologías que permitan analizar y comprender mejor los datos experimentales obtenidos del registro de la actividad cerebral, con el objetivo de aumentar nuestro conocimiento sobre la estructura, dinámica y función del cerebro. Concretamente, se centra en la aplicación a las neurociencias de la TRC, la cual combina técnicas de la dinámica no lineal, la física estadística y la teoría de grafos, aportando una nueva perspectiva al análisis del cerebro.

Las redes complejas y el cerebro

La TRC permite estudiar cómo las redes anatómicas cerebrales están organizadas y cómo condicionan los procesos dinámicos que en ellas ocurren. Pero no solo eso, también es posible proyectar la actividad cerebral en una red funcional y estudiar como esta se comporta con el envejecimiento o a medida que una enfermedad neurodegenerativa va avanzando.

Ha transcurrido más de una década desde las primeras aplicaciones de la TRC en neurociencia y, a pesar de que se han alcanzado algunos logros importantes, el potencial de este tipo de estudios corre el riesgo de quedarse en una “eterna promesa”, dado que no ha producido ningún punto de inflexión o cambio radical en la forma en la que se estudia el cerebro. En este número especial de Phil. Trans. se ha querido cristalizar las fortalezas, debilidades, dificultades y posibles futuros avatares de la teoría de redes complejas en las neurociencias, con el fin de comprender si se puede ir un paso más allá de donde se ha llegado.

De izquierda a derecha. 1. Mapa de tractos obtenido a partir de una imagen por tensor de difusión de un cerebro sano. 2. Red cerebral macroscópica, donde cada esfera representa un nodo de la red, resultado de una parcelación cerebral. Las líneas muestran las conexiones funcionales o anatómicas entre los distintos nodos. 3. Red por defecto de un sujeto sano obtenida a partir de una adquisición de resonancia funcional en estado de reposo, es decir, sin enfocar la atención en una tarea. Imagen: cortesía de José Ángel Pineda.

La publicación contiene artículos de revisión crítica, pero también nuevos trabajos con enfoques innovadores en el tratamiento del cerebro como una red compleja, como, por ejemplo, la utilización de potenciales evocados para el estudio de la transmisión de información a través de las conexiones entre regiones cerebrales. También se combinan estudios puramente teóricos, con modelos neuronales, con trabajos experimentales o de neurociencia clínica, cubriendo de esta manera gran parte del amplio espectro de problemas que es posible atacar con este tipo de metodología.

Un futuro prometedor, no exento de grandes retos

Es probable que la TRC aumente en un futuro cercano nuestra capacidad para representar aspectos complejos de la actividad cerebral, como la interacción entre la estructura y la dinámica, o incluso identificar las reglas fundamentales que guiaron la formación del cerebro durante el curso de la evolución. La teoría de redes complejas podría ayudarnos también en la clasificación de enfermedades o en la predicción la dinámica cerebral, tanto a  escalas rápidas, como sucede en la percepción, como en tiempos muy lentos, como ocurre en la evolución. Otro de los grandes retos es el control de la actividad cerebral, con el objetivo de dirigirla hacia regímenes deseados, o incluso para la evaluación del máximo potencial del cerebro, pudiendo ayudar a averiguar lo que se puede aprender y lo que no.

Sin embargo, no existe todavía un desarrollo formal que permita analizar este tipo de problemas que, en algunos casos, no han llegado incluso ni a plantearse. Por ello es fundamental incentivar la colaboración entre teóricos y experimentales, para poder, primero, plantear nuevos retos a los que la TRC podría enfrentarse para, después, desarrollar las herramientas de análisis que permitan resolverlos.  A la vez, no se descarta que, aunque la TRC surgió inicialmente para explicar la formación de otros tipos de redes, la neurociencia podría proporcionar una nueva revolución en la TRC, introduciendo conceptos y métodos inspirados en los procesos que ocurren en el cerebro.

Puede acceder al número especial de ‘Phil. Trans.’ en:

“Complex network theory and the brain”, DAVID PAPO, JAVIER M. BULDÚ, STEFANO BOCCALETTI AND EDWARD T. BULLMORE, Phil. Trans. R. Soc. B. 369, 20130520 (2014).

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Las Redes Complejas y el Cerebro (II)

Lo prometido es deuda y hoy toca hablar de cómo la Teoría de Redes Complejas nos puede ser de utilidad para caracterizar enfermedades relacionadas con la actividad cerebral y, tal vez, detectarlas antes de que se manifiesten.

Hemos comentado en entradas anteriores como los métodos de análisis de redes nos han permitido obtener nueva información sobre diversos tipos de redes biológicas, tales como las redes de interacción genética, redes de proteínas o redes metabólicas. La aplicación de estas técnicas al análisis de las disfunciones en la actividad cerebral es bastante reciente, ya que no fue hasta el año 2005 cuando aparecieron los primeros artículos sobre cómo una alteración de la estructura de la red funcional podía estar ligada a la manifestación de una determinada patología.

A día de hoy queda mucho por hacer, pero ya disponemos de los primeros resultados en enfermedades como el deterioro cognitivo leve, la esquizofrenia, la epilepsia o el Alzheimer. A pesar de que cada una de estas enfermedades posee sus propias particularidades, todas ellas comparten algo en común: la estructura de las conexiones entre los nodos (ciertas regiones del cerebro) de la red funcional ha variado respecto a la estructura de las redes de sujetos sanos.

¿A qué nos referimos cuando decimos que la estructura de la red varía?

Tradicionalmente, la caracterización de las redes cerebrales se realiza a tres niveles: macroscópico, mesoscópico y microscópico. A nivel macroscópico se estudian propiedades de la red global, como por ejemplo, como de aleatoria es su distribución de conexiones, cual es el número medio de pasos que existen para ir de un nodo a otro o como de densa es la red localmente (mediante el coeficiente de clustering). A nivel mesoscópico lo que se hace es detectar la comunidades existentes dentro de la red (si las hubiera), las cuales consisten en grupos de nodos altamente conectados entre si. Una vez detectada la estructura de las comunidades, se estudia si existe solapamiento entre ellas y cómo es el flujo de información inter-comunitario. Finalmente, a nivel microscópico, se intenta detectar cuales son los nodos centrales (más importantes) de la red, pero no solo aquellos que están más conectados, si no también qué nodos son los responsables de la comunicación entre las distintas comunidades de la red.

Todas estas propiedades pueden medirse en redes funcionales de pacientes que sufran una determinada patología, obtenidas, por ejemplo, mediante magnetoencefalografía durante una tarea cognitiva concreta. A continuación, se pueden buscar las diferencias con los resultados obtenidos en un grupo de individuos sanos.

Figura 1.- Ejemplo de la variación de la estructura de una red funcional debida a una determinada patología: red funcional de un paciente con esquizofrenia (B) y un individuo sano (A). Obtenida de Basset et al., J. Neoroscience, 28, 9239 (2008).

Como comentamos, los resultados publicados hasta la fecha son muy prometedores. En pacientes con esquizofrenia se ha observado como su red funcional se vuelve más aleatoria, perdiendo a la vez la jerarquía observada en las redes de sujetos sanos. En epilepsia los resultados van en la dirección contraria, ya que la red funcional se vuelve más activa y regular, perdiendo la complejidad inherente de las redes cerebrales. En enfermedades que afectan a la memoria, tales como el deterioro cognitivo leve o el Alzheimer, los resultados también son significativos. Se puede observar claramente como los individuos que sufren deterioro cognitivo leve (perdidas severas de memoria) tienden a realizar un sobre esfuerzo para poder realizar cualquier tarea de memoria, lo que resulta en una red funcional más conectada, pero con un mayor coste energético. En pacientes con Alzheimer, por el contrario, se observa un fenómeno de desconexión junto con un aumento del carácter aleatorio de la red.

Este tipo de estudios nos permitirán añadir nueva información a lo (poco) que sabemos sobre las enfermedades cerebrales, sin embargo, no debemos de olvidar nunca la característica fundamental de este tipo de sistemas: cada cerebro es distinto (¿se imaginan lo contrario? Que horror!).

 

PS: Si les interesa el tema, no dejen de visitar este link. También se pueden bajar un seminario impartido por este humilde y desorganizado autor en la UPM, allí encontrarán más información y varias referencias clave.

 

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