Neurotwin, el proyecto de ‘cerebros gemelos digitales’

El proyecto Neurotwin forma parte de un estudio internacional que pretende realizar ‘copias virtuales del cerebro’ de cada paciente -cerebros gemelos digitales-, con el fin de establecer cuáles son las áreas afectadas en diversas patologías, para así poder desarrollar tratamientos específicos qué apunten directamente a la modificación de estas células. En un artículo de Joshua Faskowitz y colaboradores, publicado en el 2020 en la revista Nature Neurocience, se presentaron algunos hallazgos. Concretamente, revelan que las representaciones de redes funcionales centradas en los bordes de la corteza cerebral humana manifiestan una arquitectura superpuesta, a nivel de sistemas.  A continuación, lo desarrollamos:

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Introducción al estudio de Neurotwin -cerebros gemelos digitales-

La neurociencia enfocada en las redes cerebrales ha presentado grandes avances que han permitido comprender la forma en la que interactúan las diferentes redes neuronales. Sin embargo, estos modelos se han basado, principalmente, en regiones cerebrales -nodes-, como unidades irreductibles del cerebro, tanto a nivel estructural como funcional. 

Por el contrario, este estudio, que se enmarca dentro del proyecto de los ‘cerebros gemelos digitales’ -Neurotiwn- se ha centrado en una perspectiva basada en la interacción de los ‘bordes‘ de la corteza cerebral, que hacen referencia a las interacciones funcionales; básicamente esto implica cómo se relacionan los diversos tractos neuronales.  

Objetivo del estudio

En este estudio se pretende presentar un modelo novedoso para investigar el funcionamiento de las redes neuronales, desde una perspectiva basada en los bordes de la corteza cerebral. 

Esto se realizó usando una estimación estadística, con el objetivo de estimar la fuerza de la conectividad funcional entre pares de regiones cerebrales, a lo largo del tiempo. Por lo tanto, esto permitirá determinar cómo evolucionan en el tiempo los patrones de comunicación, así como identificar si se presentan patrones cerebrales de activación simultáneamente. 

Método empleado

• En esta investigación, enmarcada en el proyecto Neurotwin – de los ‘cerebros gemelos digitales’-, se analizó una estimación de la estructura de los bordes del córtex –o de las interacciones funcionales-, que se denominó eFC.
• Para esto, se tomaron múltiples resonancias magnéticas, a un total de 120 participantes. 
• Adicionalmente, en el estudio se analizó la interacción entre pares de interacciones funcionales y no de regiones. 
• El análisis de datos se realizó para establecer las interacciones borde-borde, y los índices en la superposición de los bordes. 

Resultados del estudio

• Se encontró que la estimación de la estructura de los bordes de la corteza cerebral presentó un alto nivel de especificidad en cada participante –siempre y cuando se hayan tomado los datos por un periodo de tiempo suficientemente largo-.
• Es posible identificar regiones de bordes individuales o sobrepuestos, lo cual indicaría regiones cerebrales distantes, trabajando simultáneamente. 
• Adicionalmente, de acuerdo con la correlación de las estructuras, el cerebro podría particionarse en grupos que trabajan simultáneamente.
• También fue posible comprobar que los sistemas sensoriomotores y atencionales se relacionan con más áreas y actividades, que solo áreas de asociación.
• Finalmente, en diferentes áreas, con altos o bajos niveles de interconexiones, dependiendo de la condición -actividad o reposo-, varían los potenciales de conectividad. Esto quiere decir que es posible, que la interconexión de las redes depende de la demanda de las tareas. 

Discusión sobre el estudio de ‘cerebros gemelos digitales’ de Neurotwin

En este estudio se presentó un modelo cerebral basado en la interconexión de las diferentes redes neuronales y sus interacciones. La red formada por estas conexiones –eFC– fue similar en cada individuo y entre ellos. 

Dentro de los descubrimientos más importantes se incluye:

• La superposición de las redes variaba a lo largo de la corteza, pero tenía su punto máximo en las redes atencionales. 
• Las redes sensoriomotoras y atencionales participaban activamente en muchas otras redes, siendo esto significativamente más elevado, en comparación con las demás redes neuronales. 
• Es evidente que la superposición de esta actividad varía significativamente cuando la persona está en reposo a cuando está realizando una actividad, como ver una película. 
• Adicionalmente, es fundamental tener en cuenta esta perspectiva, que difiere de la centrada en las regiones cerebrales. Esto permite una visión desde la similitud en los patrones de cofluctuación entre redes, lo que genera un importante hallazgo en términos de comunicación intracerebral. 
• Es fundamental tener presente, que la base de esta perspectiva está en el tiempo de observación de la activación de estas redes. 

Finalmente, gracias a proyectos como el de los estudios como este, se espera poder comprender el sistema de niveles de organización cortical. Esto, junto con los estudios más localizacionistas, son la base para poder realizar un mapeo estructural y funcional complejo del cerebro. Estudios como este, enmarcado en el proyecto de los ‘cerebros gemelos digitales’ de Neurotwin; pretenden abrir la puerta al desarrollo de tratamientos directos y específicos para patologías neurodegenerativas como el Alzheimer, que en la actualidad, solo cuentan con tratamientos sintomáticos y estrategias para retrasar el deterioro. 

En palabras de Javier Márquez, investigador principal del Laboratorio Traslacional de Estimulación cerebral de la Universidad Pablo de Olavide (Sevilla, España), adherido al proyecto Neurotwin de -cerebros gemelos digitales-: «el desarrollo de modelos computacionales personalizados podría impulsar la aparición de nuevas ideas en neurociencia básica y reducir la incertidumbre en el diagnóstico» (DUPO, 2020).

Referencias:

• Faskowitz, J., Zamani, F., Jo, Y., Sporns, O., y Betzel, R. F. (2020). Edge-centric functional network representations of human cerebral cortez reveal overlapping system-level architecture. Nature Neuroscience. Recuperado de: www.nature.com
• Diario de la Universidad Pablo de Olavide -DUPO- (2020). Estudian el desarrollo de cerebros gemelos digitales para la mejora terapéutica de enfermedades neurológicas. Universidad Pablo de Olavide. Recuperado de www.upo.es

Fotografía de Javier Márquez, investigador del Laboratorio Traslacional de Estimulación Cerebral de la Universidad Pablo de Olavide (Sevilla, España) extraída de DUPO -Diario de la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla, distribuidor de contenidos bajo la Licencia Creative Commons (BY-NC-ND 4.0).