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Un nuevo modelo muestra fenómenos extremos del cerebro

Describe lo que sucede cuando las reglas que rigen el comportamiento de las neuronas desaparecen, como en el caso de un ataque epiléptico


Un equipo de físicos de la Universidad de Bonn y de la Universidad de Oldenburg (Alemania) han desarrollado un modelo que podría ayudar a comprender mejor fenómenos extremos del cerebro, como la epilepsia o las migrañas. El comportamiento de este modelo, aunque basado en reglas estrictas, puede modificarse de forma repentina.





Imagen que describe el comportamiento del modelo desarrollado en las Universidad de Bonn y Oldenburg (Alemania).  Fuente: Universidad de Bonn.
Imagen que describe el comportamiento del modelo desarrollado en las Universidad de Bonn y Oldenburg (Alemania). Fuente: Universidad de Bonn.
Un equipo de físicos de la Universidad de Bonn y de la Universidad de Oldenburg (Alemania) han desarrollado un modelo cuyo comportamiento, aunque basado en reglas estrictas, aparentemente puede cambiar de forma espontánea.

Este tipo de cambio espontáneo en sistemas reglados también se da en la naturaleza, por ejemplo, en el desarrollo de los ataques de migraña o en las crisis epilépticas. Por eso el mecanismo, descrito por primera vez por los investigadores alemanes, podría ayudar a comprender mejor fenómenos extremos del cerebro como los mencionados. 

El fenómeno en imágenes

Anillos rojos e Irregulares se mueven a través de la pantalla de un ordenador. Aumentan, se funden, se disipan, emergen y decaen cíclicamente. Pero, de pronto, la pantalla se oscurece; los anillos han desaparecido. Durante unos segundos, no pasa nada. A continuación, esa superficie oscura comienza a parpadear. Cambia rítmicamente de color, de manera casi imperceptible al principio, pero luego se vuelve más y más clara. Poco después, sucede un segundo cambio: Toda la superficie parpadea de golpe en rojo. Por último, los anillos reaparecen: el evento extremo ha finalizado.

Un proceso similar al descrito puede darse en el cerebro cuando se produce un ataque de migraña o un ataque epiléptico: De repente, miles de millones de neuronas entran simultáneamente en un estado excepcional. Las reglas que normalmente las neuronas siguen parecen haber sido anuladas todas a la vez.

El software que muestra sus resultados en la pantalla del ordenador en la oficina del Departamento de Epilepsia en el Hospital Universitario de Bonn muestra un comportamiento muy similar: aparentemente de la nada, a intervalos completamente impredecibles, el modelo subyacente cambia su dinámica. Lo que es sorprendente es que en realidad obedece a reglas simples que, no obstante, crean una especie de aleatoriedad.

Una red de mundo pequeño

El modelo creado por los físicos alemanes consiste en una red formada por muchos miles de elementos individuales, denominados 'nodos'.

Estos nodos a su vez están interconectados, por lo que pueden comunicarse e influir en los demás. En este proceso, interactúan no sólo con sus vecinos, sino  también con algunos nodos remotos.

Estas redes se denominan 'redes de mundo pequeño ', y son un tipo de grafo en el que la mayoría de los nodos no son vecinos entre sí, y sin embargo la mayoría de los nodos pueden ser alcanzados desde cualquier nodo origen, a través de un número relativamente corto de saltos entre ellos.

Las células nerviosas en el cerebro se comunican entre sí de una manera muy similar. El problema es que, aunque las reglas de comunicación están determinadas con precisión en este tipo de redes, estas tienen un comportamiento muy complejo. Por una parte, esto es debido a la multitud de nodos que las redes contienen; y por otra parte debido al cableado que conecta dichos nodos.

Por qué se producen la epilepsia o las migrañas

"Ahora hemos logrado demostrar que el comportamiento de este tipo de redes puede cambiar de forma espontánea", explica Gerrit Ansmann, autor principal del estudio. "Sin embargo, estos cambios sólo se producen en determinadas condiciones", explica el Prof. Dr. Klaus Lehnertz, otro de sus autores. "Esperamos que, con nuestro modelo, se pueda entender mejor las condiciones en las que se desarrollan los eventos extremos del cerebro".

Por otro lado, el mecanismo descrito por el modelo desarrollado también puede ser trasladado a otros sistemas, por ejemplo, a los patrones de excitación del corazón. "Esta generalidad permite amplias aplicaciones de nuestros hallazgos, en otros campos científicos", concluyen los investigadores.

Referencia bibliográfica:

Gerrit Ansmann, Klaus Lehnertz, Ulrike Feudel. Self-induced switchings between multiple space-time patterns on complex networks of excitable units. arxiv.org/abs/1602.02177 (2016).


 


Jueves, 3 de Marzo 2016
Universidad de Bonn/T21
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