Neurociencia computacional: la disciplina que ayuda a descifrar el funcionamiento del cerebro humano para diagnosticar y tratar enfermedades

Tener como objeto de estudio al cerebro, con 100 mil millones de neuronas y 100 billones de conexiones neuronales, sigue siendo uno de los desafíos más grandes de la ciencia, pues es el órgano más complejo y a la vez desconocido de nuestro cuerpo. Sin embargo, y a medida que avanza la tecnología, se ha hecho cada vez más accesible su investigación y conocimiento.

Mónica Otero, doctora en Ingeniería Electrónica e investigadora de la Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Diseño de la Universidad San Sebastián, lleva alrededor de 6 años investigando el cerebro humano desde la neurociencia computacional, una disciplina innovadora y capaz de generar modelos matemáticos descriptivos sobre la organización, funcionamiento y construcción de sistemas neuronales. Esta disciplina se nutre de la biofísica, la neurociencia, la ciencia cognitiva, la ingeniería eléctrica, las ciencias de la computación y las matemáticas.

Descubrió su vocación desde muy temprano, cuando estaba en el colegio. “En mi caso yo estudié Ciencias de la Computación y luego me interesé en la aplicación de mis conocimientos en la Neurociencia. Pero este campo tiene también personas que hacen una evolución a la inversa, son biólogos, trabajando en las Neurociencias que se interesan por temas Computacionales”, comenta con respecto a cómo fue abriéndose paso en este campo de la ciencia.

La doctora Otero afirma que la neurociencia computacional “es una rama del conocimiento interdisciplinar, que consiste en utilizar herramientas de la computación, de matemáticas e ingeniería, junto con conocimiento en biología y en medicina, para descifrar determinados procesos cerebrales”.

Esto se puede investigar a través del electroencefalograma, el cual mide la actividad eléctrica cerebral a nivel de cuero cabelludo, generando información con la cual se puede llegar a conocer el procesamiento que está realizando el cerebro ante la presencia de determinados estímulos o sin ellos.

Nuestro cerebro funciona con conexiones neuronales, por lo que hay miles de neuronas que se agrupan en redes neuronales donde cada una de estas redes son específicas y capaces de procesar determinados estímulos y, en su conjunto, nos da la capacidad de hacer todo lo que hacemos: hablar, movernos, pensar, entre otras acciones.

“Desde un trabajo colaborativo con médicos, psiquiatras, biólogos, de diferentes universidades -agrega Otero-, nos hemos dedicado a estudiar estas redes y ver cómo funcionan ante ciertos estímulos, con el fin de identificar si están dañadas o no. Es decir, cuando hay un estímulo visual, por ejemplo, uno lo procesa generalmente en cierta zona del cerebro, que está diseñada para eso, y en el caso de ciertas patologías, hay redes que están dañadas. A raíz de esto, a través de los años, hemos ido generando modelos computacionales de algunas zonas específicas del cerebro o del cerebro completo. Esto, con el objetivo de hacer un mapeo entre cuáles son las redes del cerebro involucradas en determinados procesos y qué tipo de estimulación se necesita para mejorar el funcionamiento de determinadas redes utilizando lo que se conoce como neuroestimulación no invasiva”, sostiene la doctora Otero.

Poder determinar la variabilidad de las conexiones neuronales, y modelar su funcionamiento, puede complementar de mejor manera tratamientos que hoy en día se hacen, por ejemplo, con fármacos, los cuales provocan efectos secundarios, muchas veces bastantes complejos.

Otero dice que “con esta disciplina podremos ayudar a que el fármaco funcione mejor, que

no sea necesaria una dosis tan alta o que incluso se prescinda del mismo. En ese sentido, la neuroestimulación no invasiva puede llegar a ser un tratamiento que ayude a mejorar el funcionamiento de las redes neuronales sin generar efectos secundarios”.

Por otro lado, uno de los grandes beneficios de la neurociencia computacional es que puede ayudar a que los diagnósticos sean más tempranos y precisos, utilizando medidas objetivas de la actividad del cerebro. Tal y como señala la académica, la mayoría de estas patologías son diagnosticadas clínicamente y por síntomas cognitivos, por lo que tener una idea de cómo funciona el cerebro sano y a través de mediciones electroencefalográficas se puede proponer mecanismos que expliquen cómo el cerebro procesa la información, con el objeto de generar un modelo de este y, a su vez, contar con otro modelo patológico.

“Los cerebros de pacientes con esquizofrenia, por ejemplo, tienen una capacidad de sincronización diferente a la de las personas sanas a ciertos estímulos sensoriales rítmicos. Además, la dinámica de dicha sincronización es menor en pacientes con esquizofrenia, por lo que podríamos decir que los mecanismos asociados a la integración neuronal y los procesos de predicción cerebral estarían dañados en dicha enfermedad. Este tipo de conocimiento ayuda a diagnosticar este tipo de patologías de manera más completa y con anterioridad al análisis clínico tradicional”, afirma la investigadora de la USS.

En los estudios de personas con demencias, de las cuales hay de diferentes tipos, a partir del procesamiento de datos, se pueden determinar qué tipo de demencia es y, de esta forma, realizar un diagnóstico más preciso.

Por otra parte, a partir de las técnicas de neuroestimulación, se busca encontrar la forma para activar las redes neuronales dañadas a causa de determinada patología y contribuir a mejorar el funcionamiento de determinadas áreas del cerebro del paciente. No así con la muerte cerebral, pues no es reversible.

A pesar de los avances, el camino por recorrer es muy largo, por lo que se requiere la formación de capital humano avanzado en esta disciplina.

Uno de los principales obstáculos que presenta esta rama científica, para que sus resultados puedan aplicarse en la práctica clínica, es tener acceso a muchísimas más personas para poder determinar cada vez con más precisión qué pasa en las conexiones cerebrales cuando hay patologías para así y poder identificar cada una de esta últimas por separado.

La doctora Otero reflexiona: “En la actualidad se realizan estudios sobre enfermedades neurológicas y neurodegenerativas, trastornos del comportamiento, como por ejemplo, déficit atencional, Parkinson o Alzheimer, para saber exactamente qué mecanismos neuronales están afectados y cómo poder efectuar intervenciones, con el objetivo de mejorar el funcionamiento de determinadas redes neuronales y de esta forma facilitar respuestas tanto perceptuales (información sensorial) o cognitivas. Sin embargo, sigue habiendo aún mucho camino por recorrer. La neurociencia computacional es una mirada al futuro y existe aún un gran desafío a la hora de estudiar las posibles intervenciones terapéuticas y poder implementarlas, pues, al haber cientos de circuitos neuronales en nuestro cerebro y cierto grado de variabilidad entre las diferentes personas, necesitamos saber con seguridad los resultados y que cada uno de los tratamientos funcionen para todos.”