Neurocientíficos crean mapa completo de la corteza cerebral

Usando imagen por resonancia magnética funcional (fMRI), el equipo de investigación identificó 24 redes que realizan funciones específicas dentro de la corteza cerebral.

Utilizando datos de imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI), el equipo de investigación identificó 24 redes con diferentes funciones, que incluyen el procesamiento del lenguaje, las interacciones sociales, las características visuales y otros tipos de información sensorial.

Muchas de estas redes se han observado previamente, pero no se han caracterizado con precisión utilizando condiciones más naturales. Si bien el nuevo estudio mapeó -en vivo- las redes en sujetos que veían películas, trabajos previos utilizaron un pequeño número de tareas específicas o han examinado las correlaciones en todo el cerebro en sujetos que simplemente estaban en reposo.

“Hay un nuevo enfoque en la neurociencia que permite observar las redes cerebrales en condiciones más naturales. Se trata de un nuevo enfoque que revela algo diferente de los enfoques convencionales en neuroimagen”, afirmó Robert Desimone, director del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT. “No nos dará todas las respuestas, pero genera muchas ideas interesantes basadas en lo que vemos en las películas y que está relacionado con el surgimiento de estos mapas de redes”.

Los investigadores esperan que este nuevo mapa sirva como punto de partida para estudios más profundos sobre lo que hace cada una de estas redes en el cerebro.

Desimone y John Duncan, director del programa MRC Cognition and Brain Sciences Unit at Cambridge University, son los autores principales del estudio, que fue publicado en Neuron. Reza Rajimehr, científico investigador del McGovern Institute y ex estudiante de posgrado de la Universidad de Cambridge, es el autor principal del artículo.

Mapeo preciso

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La corteza cerebral contiene regiones dedicadas a procesar distintos tipos de información sensorial, incluida la información visual y auditiva. En las últimas décadas, los científicos han identificado muchas redes que participan en este tipo de procesamiento, a menudo utilizando fMRI para medir la actividad cerebral mientras los sujetos realizan una sola tarea, como mirar rostros.

En otros estudios, los investigadores han escaneado los cerebros de personas mientras no hacían nada o dejaban que sus mentes vagaran. A partir de esos estudios, los investigadores han identificado redes como la red neuronal por defecto, una red de áreas que se activa durante actividades centradas en el interior, como soñar despierto.

“Hasta ahora, la mayoría de los estudios sobre redes cerebrales se basaban en la realización de resonancias magnéticas funcionales en estado de reposo. Gracias a esos estudios, conocemos algunas redes principales de la corteza cerebral. Cada una de ellas es responsable de una función cognitiva específica y han tenido una gran influencia en el campo de la neuroimagen”, expresó Rajimehr.

Sin embargo, durante el estado de reposo, muchas partes de la corteza cerebral pueden no estar activas en absoluto. Para obtener una imagen más completa de lo que hacen todas estas regiones, el equipo del MIT analizó los datos registrados mientras los sujetos realizaban una tarea más habitual: ver una película.

“Al utilizar un estímulo como una película, podemos activar muchas regiones de la corteza de manera muy eficiente. Por ejemplo, las regiones sensoriales estarán activas para procesar diferentes características de la película, y las áreas de alto nivel estarán activas para extraer información semántica e información contextual”, señaló Rajimehr. “Al activar el cerebro de esta manera, ahora podemos distinguir diferentes áreas o diferentes redes en función de sus patrones de activación”.

_Los datos de este estudio se generaron como parte del Human Connectome Project. Utilizando un escáner de resonancia magnética 7 Tesla 7-Tesla MRI, que ofrece una resolución mayor que un escáner de resonancia magnética típico, se obtuvieron imágenes de la actividad cerebral de 176 personas mientras veían una hora de clips de películas que mostraban una variedad de escenas.

El equipo del MIT utilizó un algoritmo de aprendizaje automático para analizar los patrones de actividad de cada región del cerebro, lo que les permitió identificar 24 redes con diferentes patrones de actividad y funciones.

Algunas de estas redes se encuentran en áreas sensoriales como la corteza visual o la corteza auditiva, como se espera en regiones con funciones sensoriales específicas. Otras áreas responden a características como las acciones, el lenguaje o las interacciones sociales. Muchas de estas redes ya se habían observado antes, pero esta técnica ofrece una definición más precisa de dónde se encuentran, detallaron los investigadores.

“Diferentes regiones compiten entre sí para procesar características específicas, por lo que cuando se mapea cada función de forma aislada, se puede obtener una red ligeramente más grande porque no está limitada por otros procesos”, indicó Rajimehr. “Pero aquí, como todas las áreas se consideran en conjunto, podemos definir límites más precisos entre diferentes redes”.

Los investigadores también identificaron redes que no se habían observado antes, incluida una en la corteza prefrontal, que parece ser muy sensible a las escenas visuales. Esta red era más activa en respuesta a imágenes de escenas de los fotogramas de la película.

Redes de control ejecutivo

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Tres de las redes encontradas por medio de este estudio están involucradas en el “control ejecutivo” y fueron más activas durante las transiciones entre diferentes clips. Los investigadores también observaron que estas redes de control parecen tener una relación de “empuje-atracción” con las redes que procesan características específicas, como rostros o acciones. Cuando las redes específicas para una característica en particular estaban muy activas, las redes de control ejecutivo estaban en su mayoría inactivas, y viceversa.

“Siempre que las activaciones en áreas específicas del dominio son altas, parece que no hay necesidad de la participación de estas redes de alto nivel”, detalló Rajimehr. “Pero en situaciones en las que tal vez haya cierta ambigüedad y complejidad en el estímulo, y sea necesaria la participación de las redes de control ejecutivo, vemos que estas redes se vuelven muy activas”.

Red de procesamiento social

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Utilizando un paradigma de observación de películas, los investigadores están estudiando ahora algunas de las redes que identificaron con más detalle, para identificar subregiones involucradas en tareas específicas. Por ejemplo, dentro de la red de procesamiento social, han encontrado regiones que son específicas para procesar información social sobre rostros y cuerpos. En una nueva red que analiza escenas visuales, han identificado regiones involucradas en el procesamiento del recuerdo de lugares.

“Este tipo de experimento consiste en generar hipótesis sobre cómo se organiza funcionalmente la corteza cerebral. Las redes que surgen al ver películas ahora deben ser seguidas por experimentos más específicos para probar las hipótesis. Nos está dando una nueva perspectiva sobre el funcionamiento de toda la corteza durante una tarea más natural que simplemente estar sentado en reposo”, manifestó Desimone.

• El paper Functional architecture of cerebral cortex during naturalistic movie watching, fue publicado en Neuron. Sus autores son: Reza Rajimehr, Haoran Xu ∙ Asa Farahani ∙ Simon Kornblith ∙ John Duncan & Robert Desimone

• La investigación fue financiada por el Instituto McGovern, el Consejo de Ciencia Cognitiva y Tecnología de Irán, la Unidad de Cognición y Ciencias del Cerebro del MRC de la Universidad de Cambridge y una beca del Cambridge Trust.

• El artículo Neuroscientists create a comprehensive map of the cerebral cortex, con la firma de Anne Trafton, fue publicado en MIT News