Gemelos digitales para estudiar el cerebro y trastornos de este

Un equipo internacional de neurocientíficos propone un nuevo modelo computacional para estudiar con mayor precisión aspectos desconocidos del cerebro humano y sobre las causas de diversos trastornos neuropsiquiátricos. Los investigadores hacen un llamamiento a la comunidad científica para que utilice este nuevo modelo computacional para buscar diagnósticos y tratamientos personalizados de diversos trastornos (como el estado de coma, la epilepsia, el mal de Parkinson o la esclerosis múltiple, entre otros), en la línea de la denominada medicina de precisión.

El equipo lo integran especialistas de la Universidad Pompeu Fabra (UPF) en Barcelona, la Universidad de Girona (UdG) y la Universidad de Oxford.

Estos investigadores parten de un enfoque innovador en neurociencia, denominado modelo del cerebro entero, que se basa en simulaciones computacionales de su funcionamiento y permite crear gemelos virtuales cerebrales de pacientes específicos. A diferencia de los enfoques tradicionales, este modelo permite analizar las dinámicas cerebrales en su conjunto, más allá de las de regiones específicas, y comprender cómo interactúan entre ellas. La creación de este modelo es fruto del trabajo desarrollado durante décadas por neurocientíficos de este grupo, para quienes la neurociencia computacional ya se encuentra en un punto de madurez suficiente que permita desvelar aspectos desconocidos del cerebro humano en la salud y la enfermedad.

Recientemente, el equipo de investigación ha publicado detalles de cómo se está aplicando este modelo, por ejemplo para predecir cómo despertar a un paciente en coma estimulando partes específicas de su cerebro, o para entender cómo se propagan las convulsiones por el cerebro de sujetos con epilepsia y probar maneras de detenerlas.

El modelo se basa en crear una simulación computacional del cerebro humano con datos de neuroimagen (principalmente de resonancias magnéticas) y fórmulas matemáticas. El resultado es un gemelo virtual del cerebro de un paciente específico, que muestra un mapa detallado, no solo de su anatomía, sino también de su actividad. Haciendo un símil con la circulación vial, podríamos considerar que el mapa no solo muestra las carreteras sino también el tráfico.

Los autores del estudio proponen estudiar, mediante gemelos digitales de los pacientes, su cerebro y diversos trastornos cerebrales. (Ilustración: Amazings / NCYT)

El modelo permite realizar simulaciones para analizar cómo las diferentes regiones cerebrales se comunican e interactúan entre ellas o ponerlas a prueba en diferentes escenarios, por ejemplo para analizar cómo el cerebro de una persona respondería ante determinados cambios o estímulos. Estas pruebas se realizan en entornos virtuales altamente controlados y permiten explorar las reacciones cerebrales de un paciente concreto con técnicas personalizadas, seguras y no invasivas.

El modelo permite analizar con gran precisión tanto la actividad cerebral en un momento concreto como sus fluctuaciones a lo largo del tiempo en escalas temporales muy reducidas, de milisegundos. Esto le hace particularmente adecuado para examinar el proceso de transición entre estados cerebrales, por ejemplo entre el dormido y el despierto, o entre el estado de coma y el del plena consciencia. De hecho, algunas pruebas realizadas por el equipo de investigación se han basado en neuroimágenes correspondientes a personas dormidas. Partiendo de estos datos, se ha explorado, mediante tales simulaciones computacionales, cuáles son las partes específicas del cerebro que es necesario estimular para provocar que los pacientes en coma despierten. También otras cosas han sido exploradas.

Gustavo Deco, del equipo de investigación y director del grupo de Neurociencia Computacional del Centro del Cerebro y la Cognición (CBC) de la UPF, expone: “La neurociencia computacional ha llegado a un punto de madurez en el que puede proporcionar herramientas que finalmente llegan a desentrañar principios fundamentales de las funciones del cerebro en la salud y la enfermedad”.

Gustavo Patow, del equipo de investigación y miembro del grupo de Visualización, Realidad Virtual e Interacción Gráfica (ViRVIG) de la UdG y del CBC de la UPF, añade: “Uno de los grandes retos a la hora de comprender las enfermedades del cerebro, como la depresión o la epilepsia, es que no entendemos del todo qué ocurre dentro del cerebro. Los métodos tradicionales han luchado por ofrecer respuestas claras. Los modelos de cerebro entero ofrecen una nueva forma de mirar el cerebro, ayudando a los investigadores a identificar qué podría estar mal y cómo solucionarlo”.

Los investigadores ya han demostrado el potencial prometedor del modelo del cerebro entero para tratar varios trastornos neuropsiquiátricos hasta ahora sin cura. A medida que se vaya perfeccionando, el modelo podría convertirse en una herramienta estándar en los hospitales y ayudar a los profesionales a diagnosticar y tratar mejor las enfermedades del cerebro.

Deco, Patow y sus colegas exponen los detalles técnicos de sus últimos progresos y lo que ello supone en la revista académica Nature Reviews Methods Primers, bajo el título “Whole-brain modelling: an essential tool for understanding brain dynamics”. (Fuente: Universitat Pompeu Fabra)