Estudian las señales eléctricas del cerebro como biomarcadores de la enfermedad de Parkinson
Un equipo de neurocientíficos argentinos publicó en la revista NeuroImage un trabajo que postula un potencial biomarcador de trastornos neurológicos, como la enfermedad de Parkinson.
Un equipo de neurocientíficos argentinos publicó en la revista NeuroImage un trabajo que postula un potencial biomarcador de trastornos neurológicos, como la enfermedad de Parkinson. El número de noviembre de esa publicación lleva en su tapa una imagen de ese trabajo, que fue realizado en el Departamento de Física Médica del Centro Atómico Bariloche y el Instituto Balseiro.
A pesar de que no se ven a simple vista, las neuronas emiten señales eléctricas que pueden ser estudiadas para diagnosticar enfermedades. A veces, al interactuar estas señales oscilatorias pueden modificarse entre sí, como ocurre por ejemplo cuando uno está escuchando música en la radio y hay interferencia.
Salvando las distancias con el mundo de la radiodifusión, neurocientíficos argentinos se preguntaron si algunos patrones de la actividad eléctrica neuronal podrían funcionar como un biomarcador de trastornos neurológicos, como el mal de Parkinson y la epilepsia.
En la revista NeuroImage, el equipo de docentes del Instituto Balseiro reportó los resultados de un modelo computacional que desarrollaron para estudiar un tipo de fenómeno denominado “acoplamiento inter-frecuencia” o AIF, que ha sido observado experimentalmente en pacientes con la enfermedad de Parkinson. De hecho, la actividad neuronal presenta muchas ondas oscilatorias que dan lugar a diversos tipos de AIF. El paper se puede consultar en este link.
“Para tener una imagen conceptual del fenómeno AIF que estudiamos en nuestro trabajo conviene pensar en una señal de amplitud modulada, similar a las utilizadas en radiodifusión, en la que una onda lenta modula la amplitud de otra onda rápida”, explica el neurocientífico Damián Dellavale, que forma parte de este equipo, compuesto por investigadores del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche (CAB).
“Los resultados reportados en nuestra publicación ayudan a responder algunas preguntas importantes sobre el fenómeno AIF en el contexto de diversas redes neuronales y, en particular, en relación a la red involucrada en la enfermedad de Parkinson, conocida como red de ganglios basales”, agrega Dellavale, que, al igual que los demás autores del paper, es docente en el Balseiro, dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO).
Un dato interesante es que el fenómeno AIF ha sido observado en una gran variedad de sistemas físicos, desde la interacción de osciladores biológicos, electrónicos, mecánicos pasando por meteoros hasta algunos fenómenos astronómicos.
“En este sentido, la curiosidad por entender el significado de este fenómeno ha motivado numerosos estudios, entre los cuales se encuentra nuestro trabajo”, agrega Dellavale, que firma el paper junto con tres colegas: el estudiante de doctorado en Física del Balseiro Osvaldo Velarde, y los investigadores de CONICET y docentes del Balseiro, Eugenio Urdapilleta y Germán Mato.
El modelo matemático que desarrollaron en equipo busca develar los mecanismos mediante los cuales distintas arquitecturas de redes neuronales que forman parte del cerebro dan lugar al fenómeno de AIF.
Osvaldo Velarde, que es estudiante del Doctorado en Física del Instituto Balseiro, destaca que en este artículo proponen una nueva estrategia para el estudio del fenómeno AIF. “Encontramos que el acoplamiento inter-frecuencia emerge por mecanismos comunes a diferentes redes neuronales biológicamente plausibles. Estos mecanismos pueden entenderse como bifurcaciones en la dinámica de la red”, destaca Velarde, que es egresado de la Licenciatura y de la Maestría en Ciencias Físicas del Balseiro.
“Asimismo, respecto a la enfermedad de Parkinson, el trabajo proporciona argumentos que respaldan la hipótesis sobre la relevancia del acoplamiento inter-frecuencia como un potencial biomarcador”, agrega el joven, que es además ayudante adscripto en las clases de Matemática I del Balseiro.
Dellavale, quien codirige junto con Germán Mato la investigación de doctorado de Velarde, agrega: “Otro resultado importante se refiere a que, según nuestro análisis, el fenómeno AIF emerge en la actividad de la red de ganglios basales durante el estado patológico asociado a la enfermedad de Parkinson. Además, encontramos que el mecanismo subyacente que produce el fenómeno AIF es diferente a los mecanismos asociados a otros biomarcadores”.
“Este resultado respalda la hipótesis que postula al fenómeno AIF como una ‘característica’ que puede ser utilizada para implementar un sistema de neuromodulación adaptativo”, explica el docente del Balseiro, donde entre otras carreras también se dicta la Maestría en Física Médica.
¿Qué son los sistemas de neuromodulación adaptativos? Son dispositivos capaces de “leer” la actividad eléctrica de un grupo o red de neuronas, identificar a través de sus características si el estado de esa red neuronal es normal o patológico y luego actuar sobre la red neuronal, por ejemplo con pulsos eléctricos, con el objetivo de cambiar su estado y pasar de uno patológico a otro estado similar al normal. Esto se aplica por ejemplo en la llamada “terapia de estimulación cerebral profunda” en pacientes con Parkinson.
“La limitación de esta terapia es que actúa en forma crónica y no adapta automáticamente la estimulación aplicada a la red neuronal. Para superar esta limitación resulta necesario identificar y entender las características de la actividad neuronal mencionadas anteriormente”, explica Dellavale.
Los autores del artículo destacan que para obtener los resultados fue necesario no solo recurrir a modelos matemáticos de diversas redes neuronales, sino también “desarrollar y optimizar nuevas herramientas para evaluar en forma cuantitativa los patrones AIF presentes en las señales generadas por esas redes neuronales”.
La revista NeuroImage eligió para su tapa una imagen del artículo de los neurocientíficos argentinos. En la misma, se pueden observan la forma de las señales registradas en los diferentes estados de las redes neuronales analizadas. La representación gráfica de uno de esos estados es una forma geométrica llamada "toroide", como si fuera una "dona", y que a la vez emerge por mecanismos que corresponden a una abstracción matemática denominada "bifurcación".
Estas nuevas herramientas para el procesamiento de señales ya están siendo utilizadas en su grupo para el análisis de registros cerebrales invasivos obtenidos en pacientes con epilepsia focal farmacoresistente y en modelos animales de la enfermedad de Parkinson.
“El trabajo de Velarde y colegas propone el estudio del fenómeno acoplamiento fase-amplitud en modelos computacionales de redes neuronales. Este estudio es importante, porque permite clarificar los mecanismos asociados al acoplamiento fase-amplitud y, por lo tanto, identificar bajo qué condiciones existen problemas en la definición usual”, destacó Enzo Tagliazucchi, investigador del CONICET y director del Laboratorio de Neurociencia Cognitiva Computacional en el Departamento de Física de la Universidad de Buenos Aires.
Tagliazucchi, que no participó de la investigación, agregó: “Ellos encuentran un comportamiento espúreo asociado a la superposición lineal de diversos componentes espectrales, y un acoplamiento fase-amplitud real. La existencia de un acoplamiento real sugiere que la existencia de este fenómeno es real, que ocurre con un mecanismo determinado, y por lo tanto representa un aporte teórico importante para los neurocientíficos investigando el acoplamiento fase-amplitud como un posible mecanismo para la integración de la actividad neuronal”.
Asimismo, el trabajo publicado constituye una contribución importante al avance de colaboraciones que el Departamento de Física Médica del Centro Atómico Bariloche lleva adelante con centros clínicos y de investigación aplicada en neurociencia: con el Dr. Gustavo Murer (UBA y CONICET) y la Dra. Silvia Kochen (CONICET y Hospital El Cruce).
Conocer mejor cómo se manifiesta la actividad neuronal es uno de los grandes desafíos en las neurociencias, para mejorar terapias existentes y desarrollar nuevas alternativas de biomarcadores, diagnósticos y tratamientos. Mientras tanto, el cerebro sigue emitiendo su música.
