El ritmo del cerebro social

 

Proyecto de investigación: Sincronización cerebral en parejas de guitarristas durante la ejecución musical individual y conjunta.

Los seres humanos, entre muchas otras especies, somos seres sociales. La cooperación con otros individuos no solo es importante para la superviviencia durante los primeros años de vida, sino que nuestro adecuado desarrollo físico, mental y social solo es posible a través de la interacción con otras personas (Hasson et al., 2011). Nuestra personalidad, acciones y pensamientos, incluso nuestro sentido de agencia -lo que algunos psicólogos sociales han llamado el self-, son posibles sólo a través observar, imitar y aprender de otros seres humanos, son moldeados a través de las relaciones que establecemos con los demás (Mead, 1934; Bandura, Ross y Ross, 1961). Fenómenos tan complejos y diversos como el lenguaje, la ciencia o el arte existen como producto de la cooperación y la interacción entre individuos.

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Tanto en seres humanos como en animales, la imitación es un mecanismo de adaptación que permite el aprendizaje de conductas relevantes para la supervivencia.

La interacción social tiene lugar cuando se coordinan de las acciones de dos o más individuos en el espacio y el tiempo (Sebanz et al., 2006) de acuerdo un set de reglas compartido (Hasson et al., 2011) para lograr un objetivo. Requiere además de un entendimiento común del significado de una señal en un contexto determinado, es decir, de un sistema de comunicación entre los individuos (Hasson et al., 2011). Organismos aparentemente simples pueden tener conductas sociales sumamente complejas y organizadas. Basta pensar en el comportamiento colectivo de una colonia de hormigas, en la división del trabajo de las abejas, los caprichosos patrones de vuelo de las parvadas de aves, o en la coordinación precisa de la cacería de una manada de leones.

Sin embargo entre los seres humanos la interacción social da lugar a conductas sin paralelo entre en el reino animal. El lenguaje y la música son dos ejemplos paradigmáticos de esto. La ejecución musical en grupo requiere que cada uno de los miembros del conjunto actúe de forma coordinada con el resto. A través de la retroalimentación acústica, cada intérprete tiene información de las acciones de cada uno de los miembros del conjunto, de tal forma que ajusta sus acciones a las acciones de los otros. Mediante este acoplamiento, cada músico es capaz de anticipar y atender a cambios y variaciones de la música, modular su interveción momento a momento, tomar un rol principal o de acompañamiento en determinados momentos de cada pieza, etc. Lo que realiza un individuo depende siempre de las acciones de los demás. La acción colectiva brinda contexto y significado a la acción individual.

Así pues, la música es una actividad ideal para estudiar la interacción social en seres humanos (D’Ausilio, 2015), puesto que: a) es una forma de comunicación universal; b) puede ejecutarse en múltiples ambientes, tanto dentro como fuera del laboratorio; c) permite un análisis preciso de la conducta de los músicos a través del tiempo (la partitura musical es una descripción formal de esta conducta); d) un interprete puede ejecutar una pieza musical de forma individual, pero también hacerlo acompañado de una o más personas.

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El aprendizaje, la ejecución y la apreciación de algunas actividades humanas surge a través de la interacción con otras personas.

El objetivo del presente proyecto es determinar si existen patrones de sincronización intercerebral debido a la interacción social durante tareas musicales.

Procesamento de información intra-cerebral sucede a través de patrones espacio-temporales de actividad neuronal sincronizada. Al comparar la dinámica cerebral de la ejecución musical individual versus la dinámica cerebral de la interacción musical o ejecución conjunta deberíamos ser capaces de determinar si estos patrones de sincronización están relacionados específicamente con la interacción. De ser así, apuntaría a la existencia de un mecanismo neuronal con un rol prominente en la producción de la acción conjunta, por ejemplo, durante la actuación de una orquesta o coro, durante procesos como la danza o el teatro o durante actividades deportivas u otras formas de trabajo en grupo.

Sincronización de la conducta y sincronización cerebral

La sincronización es un fenómeno físico ocasionado por la interacción de dos sistemas independientes, pero ha resultado útil para describir y estudiar fenómenos biológicos y sociales (Pikovsky, Rosenblum y Kurths, 2001; Knoblich, Butterfill y Sebanz, 2011). Un ejemplo clásico de sincronización completa son dos relojes de péndulo oscilando de forma independiente que, al ser montados sobre un mismo soporte, sincronizan el movimiento de sus péndulos después de un cierto periodo de tiempo (Pikovsky, Rosenblum y Kurths, 2001). Ambos relojes modifican sus ritmos naturales y terminan oscilando a un mismo ritmo. Dicha sincronización es ocasionada por la interacción entre ambos sistemas a través del soporte común.

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Dos relojes unidos por un soporte en común se influyen mutuamente a través de pequeñas vibraciones transmitidas a través del soporte. Debido a esto, ambos relojes modifican sus parámetros de movimiento y acoplan su ritmo después de un cierto periodo de tiempo.

Ejemplos de sincronización en sistemas biológicos incluyen el ciclo circadiano o reloj biológico, que acopla los periodos de vigilia y sueño de un organismo a los periodos de luz/oscuridad correspondientes al día y la noche (Buzsáki, 2006). Los periodos de migración de insectos o aves están acoplados a los cambios climáticos cíclicos de las estaciones del año. Los patrones de brillo de comunidades de luciérnagas o el vuelo de las parvadas de pájaros también se explican por la sincronización entre individuos independientes (Duranton y Gaunet, 2016). A nivel conductual los seres humanos sincronizamos de forma automática algunas comportamientos a través de la mera observación de otros: una persona caminando sola se moverá de forma característica, pero si camina acompañado de otra, ambas ajustarán automáticamente sus movimientos (p.e., en velocidad) y se moverán de una forma similar (Van Ulzen, et al., 2008). Durante una conversación los actores involucrados sincronizan espontáneamente sus movimientos corporales e imitan mutuamente los manerismos que acompañan a la gesticulación (Chartrand y Bargh, 1999).

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Diversos procesos biológicos están fuertemente acoplados a eventos periodicos en el ambiente. El ciclo circadiano es uno de los ejemplos más estudiados de este fenómeno. Hace referencia al acoplamiento de ciertos procesos fisiológicos, particularmente relacionados con los procesos de sueño y vigilia de un organismo (p.e., la producción de melatonina) a los periodos de luz y oscuridad de la superficie terrestre.

Existe evidencia de que la sincronización es un mecanismo fundamental para la organización del sistema nervioso (Sporns, Tononi y Edelman, 2002; Plankar, Brežan y Jerman, 2013), que coordina la actividad de millones de células nerviosas a un bajo coste energético (Rosenblum, Pikovsky y Kurths, 1996). La neurona, el elemento básico del cerebro, es un sistema oscilatorio que interactúa con otros sistemas del mismo tipo, es decir, con otras neuronas. Estas células forman comunidades que procesan información (reciben y envían señales) a un mismo ritmo (Vicente et al., 2008), permitiendo la integración de las poblaciones neuronales relevantes para una tarea y la segregación de las no relevantes; y eficientando la comunicación entre áreas anatómicamente distantes (Roelfsema et al., 1997).

Esta organización se repite a diferentes escalas anatómicas dentro del cerebro: a nivel celular, entre nodos y vías neurales; y a nivel de sistemas y subsistemas cerebrales (Buzsáki, 2006). Intracerebralmente, diferentes tareas y actividades se correlacionan con patrones de sincronización específicos entre distintas áreas y sistemas cerebrales (Roelfsema et al. 1997). Así pues, a través de la sincronización el cerebro transmite información acerca del ambiente y coordina la actividad de diferentes poblaciones neuronales durante una tarea determinada (Gray et al., 1989; Singer, 1993). Aunque no se sabe exactamente cómo el cerebro genera emociones, movimiento, o calcula la raiz cuadrada de 49 a partir de la estimulación e inhibición de un conjunto de neuronas, se sabe que la sincronización de la actividad neuronal es el mecanismo clave para la transmisión y procesamiento de información que tiene lugar durante el funcionamiento cerebral.

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El funcionamiento cerebral depende de patrones de integración y segregación de poblaciones neuronales específicas. La sincronización es el mecanismo que permite el funcionamiento de estos principios organizacionales del sistema nervioso. Imagen: Sporns (2017).

Por lo anterior, es razonable suponer que el cerebro usa la misma estratégia durante la interacción social, es decir, durante la transmisión y el procesamento de información inter-personal. Lo impresionante es que algunos estudios sugieren que durante la interacción social existe sincronización no solo entre diferentes zonas de cada cerebro (intracerebral), sino entre los cerebros de las personas que interactúan (intercerebral). Sin embargo, no se ha comparado si existe una genuina sincronización intercerebral debida a la interacción social o si es debida a estimulos externos comunes. Es decir, si dos personas escuchan al mismo tiempo una pieza musical, la corteza auditiva de ambos sería estimulada de la misma manera al mismo tiempo, por lo que se esperaría que las respuestas neuronales a estos estímulos sean similares y se detecte cierto grado de sincronización debida al estímulo externo en la actividad cerebral.

Sincronización intercerebral e interacción social

Diversos estudios han propuesto que la sincronización cerebral entre dos o más personas es un marcador neuronal específico de la interacción social y/o de la cognición social (Tognoli et al, 2007; Babiloni et al., 2006; Dumas et al, 2011).

Por cognición social nos referimos a los mecanismos neuropsicológicos que nos permiten entender a otras personas, así como comprender situaciones sociales y responder adecuadamente (Knoblich, Butterfill y Sebanz, 2011). El interés en la sincronización intercerebral ha resurgido a partir de la aparición de la técnica de neuroimagen conocida como Hyperscanning y del desarrollo de nuevas herramientas de análisis que permiten inferir conectividad cerebral a partir de señales de diferentes áreas cerebrales. El hyperscanning es el registro simultáneo de la actividad cerebral de dos o más personas de manera simultánea, usando un electroencefalograma (EEG) u otra técnica de neuroimagen. El EEG es ideal para los estudios de hyperscanning durante tareas que requieren gran precisión temporal, debido a que registra la actividad eléctrica cortical con una alta definición en el tiempo, a que es una técnica no invasiva y a que permite mayor libertad de movimiento a los participantes. Comparado con otras técnicas de neuroimagen, como la resonancia magnética funcional, que permite permite hacer registros con una frecuencia menor de 1 Hz, el EEG permite registros con frecuencias superiores a los 1000 Hz; la principal desventaja comparado con esta técnica es la pobre resolución espacial que el EEG es capaz de lograr.

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El hyperscanning registra de forma simultánea la actividad cerebral de dos o más personas mientras están inmersos en una tarea que involucra cierto grado de interacción social. Imagen: Crivelli (2017).

Un problema común en los estudios de neuroimagen relacionados con la interacción social o cognición social antes del desarrollo del hyperscanning era que se utilizaban tareas que no involucraban la interacción social directa; estos mecanismos se estudiaban a través de la presentación de videos o imágenes de interacciones sociales o de relevancia social. Por ejemplo, Stephens et al. (2010) usaron resonancia magnética funcional para estudiar el acoplamiento cerebral durante la comunicación verbal; registraron la actividad cerebral de dos personas en diferentes momentos: la primera mientras narraba una historia y la segunda mientras escuchaba la grabación de esta narración. El Hyperscanning permite sobrepasar estas limitaciones al hacer viable estudiar la interacción social directa entre participantes en condiciones de laboratorio.

La sincronización intercebral cuando dos personas realizan una acción de forma conjunta; implica que algunas características de las señales cerebrales de ambos individuos son similares (Rosenblum, Pikovsky y Kurths, 1996). Sin embargo, existen dos explicaciones alternativas para la sincronización intercerebral. La primera es que la sincronización podría atribuirse a las demandas perceptuales y motoras que la tarea implica; es decir, si dos sujetos realizan exactamente la misma tarea o son sometidos a los mismos estímulos, su cerebro debería reaccionar de forma muy similar. Los potenciales evocados son un ejemplo claro de sincronización debida a estímulos sensoriales. Un potencial evocado es una respuesta específica de la actividad eléctrica de corteza cerebral posterior a la presentación de un estímulo. Esta respuesta se puede observar en cualquier sujeto que observe el mismo estímulo, y es muy similar entre sujetos en términos de tiempo (p.e., 300 ms después de la aparición del estímulo), polaridad (positiva o negativa) y amplitud (magnitud de la actividad). Esta similitud en el funcionamiento cerebral no depende de si los sujetos hacen la tarea juntos o por separado.

Por otra parte, cabe la posibilidad de que la sincronización intercerebral se pueda explicar no únicamente por las demandas de la tarea sino por la interacción social. Si esta explicación es correcta, implicaría que los parámetros internos de cada organismo se acoplan debido a la interacción, es decir al intercambio y procesamiento de información de forma conjunta para lograr una tarea. Este acoplamiento sería observable en la dinámica cerebral de las personas que interactúan. Para llegar a esta conclusión es necesario que la sincronización intercerebral no exista o sea significativamente menor durante la ejecución de acciones individuales comparado con acciones conjuntas.

Un corolario de esta segunda explicación es que fenómenos sumamente complejos, como la organización social de los seres humanos u otras especies, pueden estar cimentados en fenómenos físicos básicos, bien estudiados y descritos, en este caso la sincronización. No obstante, la evidencia disponible hasta la fecha no permite afirmar o negar de forma tajante una u otra explicación.

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Diversos autores han señalado que diversas zonas de la corteza cerebral de dos sujetos se sincronizan cuando estos están inmersos en una interacción social. Las causas y mecanismos de este fenómeno son aún objeto de discusión. Imagen: Dumas (2011).

Aunque apasionante, la idea de que la interacción social implica sincronización intercerebral no está exenta de problemas. El primero de ellos, comentado arriba, es relativo a que la sincronización intercerebral puede ser debida a la tarea, pero también puede deberse a la interacción social. Aunado a esto, muchos estudios registran a sujetos únicamente durante una tarea conjunta, de tal forma que no pueden comparar sus resultados con los de una tarea control individual ni durante lo que se conoce como “Resting State” y que se asocia a un estado base de la dinámica cerebral. Las técnicas de análisis utilizadas para inferir sincronización intercerebral también han sido acusadas de algunas carencias (Burgess 2013), por lo que es pertinente utilizar también otras estrategias de análisis.

Así pues, este trabajo busca:

A) Separar la sincronización intercerebral que puede explicarse por la similitud de acciones y estímulos durante una tarea, de la sincronización debida exclusivamente a la interacción social.

B) Determinar si la sincronización intercerebral es un fenómeno genuino relacionado con la interacción social.

¿Te gustaría o conoces a alguien a quien le gustaría ser voluntario?

La tarea principal consiste en la ejecución en guitarra de una pieza musical de alrededor de dos minutos mientras la actividad eléctrica de la corteza cerebral es registrada con un equipo de electroencefalografía.

La ejecución se hará en dos condiciones: a) coordinado con una grabación, b) coordinado con otro guitarrista. De esta forma aseguraremos que las acciones de los guitarristas y los estímulos ambientales sean casi iguales durante ambas condiciones, teniendo como principal diferencia la interacción social.

Además se registrará el EEG durante lo que se conoce como Resting State, para comparar el estado base de funcionamiento cerebral con el funcionamiento cerebral durante la ejecución musical. También habrá tareas de percepción pasiva de la pieza musical y de imaginación motora de la pieza musical, con la intención de separar los efectos perceptuales y motores en la sincronización cerebral de los efectos de la interacción social (se ha comprobado que en individuos con alta destreza en una actividad, ejecutar o imaginar que se ejecuta la actividad recluta exactamente las mismas áreas motoras en el cerebro; Decety, 1996).

Así pues, se tienen cuatro tareas: Resting State, Ejecución musical, Percepción musical e Imaginación motora.

Dichas tareas se realizarán en dos condiciones: Individual y Conjunta.

Los patrones de sincronización intra e intercerebrales se estimarán en ambas condiciones, bajo la hipótesis de que la sincronización intercerebral será significativamente mayor durante la ejecución musical conjunta.

¿Quienes pueden participar?

Voluntarios de entre 18 y 50 años.

Durante el registro a cada participante le será asignada una pareja. Las parejas serán seleccionadas de acuerdo a su sexo y edad, considerando también la experiencia musical de los participantes.

La experiencia de cada participante será categorizado como sigue:

a) Guitarristas profesionales, con más de tres años de entrenamiento musical formal.

b) Guitarristas amateurs con experiencia.

c) Guitarristas amateurs

Los interesados pueden descargar la tablatura, la partitura, el audio y un archivo .gp5 de la pieza que se usará para el experimento en este enlace. En adición a esto, cada participante puede seleccionar algunas piezas de su interés para registros fuera del protocolo experimental.

¡Regístrate como voluntario aquí!

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Contacto:

Juan Esquivias: juanesquivias00@gmail.com

Markus Müller: muellerm@uaem.mx

Referencias:

Babiloni, F., Cincotti, F., Mattia, D., Mattiocco, M., De Fallani, F. V., Tocci, A., & Astolfi, L. (2006). Hypermethods for EEG hyperscanning. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology – Proceedings, 3666–3669.

Bandura, A., Ross, D., & Ross, S. A. (1961). Transmission of aggression through imitation of aggressive models. The Journal of Abnormal and Social Psychology, 63(3), 575-582.

Burgess, A. P. (2013). On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience, 7, 1–17.

Buzsáki, G. (2006). Rhythms of the Brain. Oxford University Press.

Chartrand, T. L., & Bargh, J. A. (1999). The chameleon effect: the perception-behavior link and social interaction. Journal of Personality & Social Psychology, 76(6), 893–910.

D’Ausilio, A., Novembre, G., Fadiga, L., & Keller, P. (2015). What can music tell us about social interaction? Trends in Cognitive Sciences. 19(3), 111-114.

Decety, J. (1996) Do imagined and executed actions share the same neural substrate?. Cognitive Brain Research, 3(2) 87-93.

Dumas, G., Lachat, F., Martinerie, J., Nadel, J., & George, N. (2011). From social behaviour to brain synchronization: review and perspectives in hyperscanning. Innovation and Research in BioMedical Engineering, 32(1), 48–53.

Duranton, C., & Gaunet, F. (2016). Behavioural synchronization from an ethological perspective: overview of its adaptive value. Adaptive Behavior, 24(3), 181-191.

Gray, C. M., König, P., Engel, A. K., & Singer, W. (1989). Oscillatory responses in cat visual cortex exhibit inter-columnar synchronization which reflects global stimulus properties. Nature, 338, 334-337.

Hari, R., & Kujala, M. V. (2009). Brain Basis of Human Social Interaction: From Concepts to Brain Imaging. Physiological Reviews, 89(2), 453–479.

Hasson, U., Ghazanfar, A.A., Galantucci, B., Garrod, S., & Keysers, C. (2011). Brain to brain coupling: a mechanism for creating and sharing a social world. Trends in Cognitive Sciences, 16(2), 114-121.

Knoblich, G., Butterfill, S., & Sebanz, N. (2011). Psychological research on joint action : theory and data. In: Ross, B., (ed.) Advances in Research and Theory. London: Academic Press, pp. 59-101.

Mead G.H., (1934). Mind, Self, and Society. Chicago: Univ. Chicago Press.

Pikovsky, A., Rosenblum, M., & Kurths, J. (2001). Synchronization: A Universal Concept in Nonlinear Sciences. Cambridge University Press.

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Roelfsema, P., Engel, A., König, P., & Singer, W. (1997). Visuomotor integration is associated with zero time-lag synchronization among cortical areas. Nature. 385. 157-61.

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Sebanz, N., Bekkering, H., & Knoblich, G. (2006). Joint action: bodies and minds moving together. Trends in Cognitive Sciences, 10, 70–76.

Singer, W. (1993). Synchronization of Cortical Activity and it’s Putative Role in Information Processing and Learning. Annual Reviews of Psychology, 55, 349-374.

Sporns, O., Tononi, G., & Edelman, G.M. (2002). Theoretical neuranatomy and the connectivity of the cerebral cortex. Behavioral Brain Research, 135, 69-74.

Stephens, G., (2010) Speaker-listener neural coupling underliessuccessful communication. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107, 14425–14430.

Tognoli, E., Lagarde, J., DeGuzman, G. C., & Kelso, J. A. S. (2007). The phi complex as a neuromarker of human social coordination. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(19), 8190–8195.

Van Ulzen, N. R., Lamoth, C. J., Daffertshofer, A., Semin, G. R., & Beek, P. J. (2008). Characteristics of instructed and uninstructed interpersonal coordination while walking in pairs. Neuroscience Letters, 432(2), 88–93.

Vicente, R., Gollo, L. L., Mirasso, C. R., Fischer, I., & Pipa, G. (2008). Dynamical relaying can yield zero time lag neuronal synchrony despite long conduction delays. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(44), 17157–17162.

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Symposium on Brain Signal Analysis: Techniques and Applications

Fecha: del 18 al 20 de agosto de 2016

Lugar: Centro Internacional de Ciencias A.C. (UNAM)

Organizadores:

Julieta Ramos Loyo (UDG)
Ruben Fossion (UNAM)
Markus F. Müller (UAEM)

Topics of the workshop:
Presentation of different techniques of analysis.
Propositions for applications to brain signal analysis.
The range of application might be quite diverse including analysis of pathologies such as epilepsy, physiological phenomena like sleep, cognitive processes and information processing among others.
We hope to foster discussion between research groups and promote future collaborations in an informal environment.

Link: http://www.cicc.unam.mx/activities/2016/BrainSignal/symposium.html

Para más información: Comunicarse al CIC o escribir a complexsyslab@gmail.com

Crédito de imagen de portada: http://morguefile.com/creative/jkt_de

Procesos de cognición y el papel de la corteza auditiva para actividades motoras y cognitivas

Una particularidad conocida del cerebro humano es la íntima conexión entre la corteza auditiva y motora. Esto conduce a un efecto que en inglés se llama entrainment, es decir, que bajo la influencia de estímulos acústicos rítmicos los sujetos modifican la frecuencia de su movimiento (por ejemplo, la cadencia), aunque no sincronizan espontáneamente. La terapia con música aprovecha este efecto, donde la estructura temporal del ritmo provoca ciertos patrones espacio-temporales en la corteza auditiva, que a su vez fomentan la actividad adecuada en la corteza motora. El orden o bien la estructura temporal de un ritmo, fomenta la coordinación de movimientos, aún en pacientes con severos problemas motores, como derrame cerebral o el síndrome de Parkinson. Es ventajoso en este contexto la alta resolución temporal de la corteza auditiva, una región que evolucionó para detectar y caracterizar estructuras temporales, por lo cual el procesamiento de información sucede en las escalas de tiempo más cortas. De esta manera la corteza auditiva puede fungir como una especie de marcapaso para la corteza motora.

Mucho menos conocida es la influencia espontánea de la corteza auditiva sobre procesos de cognición. La influencia positiva de la música a largo plazo, como por ejemplo para la adquisición de lenguaje, sí es conocida aún cuando todavía es sujeto de investigación. En nuestro grupo se investiga de qué manera los estímulos acústicos pueden conducir espontáneamente a un mejor desempeño cognitivo (atención, cognición verbal, orientación, cognición numérica, comunicación no-verbal, entre otros). ¿Depende esto de la complejidad de la estructura temporal del ritmo? ¿Juega el tempo un papel importante y hay tempos preferidos (lo cual sería un indicador para la existencia de una especie de resonancia en la dinámica cerebral)? Y ¿hay diferencias de género debido a la preferencia de ritmos? Estas y más preguntas a este contexto son sujeto de investigación en nuestro grupo, en colaboración con la Dra. Julieta Ramos del Instituto de Neurociencias de la Universidad de Guadalajara y la Dra. Mari Corsi Cabrera de la Facultad de Psicología de la UNAM.

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Figura 1: Dos personas en un “hyperscanning”, es decir, las dos personas resuelven una tarea en conjunto mientras se mide simultáneamente su Electroencefalograma con el objetivo de medir sincronización inter-personal.

Interrelación entre sueño y epilepsia

Es evidente que el fenómeno patológico epilepsia y el fisiológico sueño están correlacionados. Las crisis epilépticas suceden preferentemente en un estado de somnolencia, la privación de sueño puede provocar ataques epilépticos aún en personas clínicamente sanas, muchas crisis epilépticas son seguidas por un profundo sueño postictal y la morfología de registros EEG durante los dos fenómenos son parecidas, para mencionar solo algunas características. En nuestro grupo se realiza la comparación cuantitativa de la evolución de la red funcional entre los dos fenómenos. La hipótesis científica que da la pauta para estos estudios es que la epilepsia de lóbulo temporal, es consecuencia de una distorsión de la arquitectura de sueño de tal manera que la deficiencia en la recuperación nocturna se recompensa a través de convulsiones. En este sentido se podría entender una crisis epiléptica como una especie de un “sueño condensado”. Este trabajo se realiza en colaboración con la Universidad de Berna en Suiza y el grupo de la Dra. Corsi Cabrera de la Facultad de Psicología de la UNAM.

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Figura 11: Algunos señales electroencefalográficas durante el sueño (izquierda) y durante un ataque epiléptico (derecha). Panel A durante la fase de sueño ligero, panel C durante la fase de sueño profundo. Panel B durante la fase de descargas rápidas de una ataque epiléptico, Panel D durante la fase postictal.

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Figura 12: Comparación entre sueño y epilepsia: Panel izquierdo: potencia relativa en la banda delta (ondas lentas), panel derecha: Eficiencia global de la red funcional. Cuadrados corresponden al análisis de sueño, cruces al análisis de epilepsia. Fase 1 corresponde al sueño ligero personas sanos y la fase de descargas rápidas de un ataque epiléptico. Fase 2 corresponde al sueño profundo y la fase post-ictal respectivamente.

Fotografía de portada: https://flic.kr/p/7KCWxN

Epilepsia

Se investiga la dinámica de la red funcional en la transición peri-ictal, es decir la transición antes, durante y después de un ataque epiléptico focal (por lo general del lóbulo temporal). Aunque un ataque epiléptico constituye un evento sumamente dramático hay todavía gran controversia sobre este tema. A partir de los descubrimientos de Wolf Singer y su grupo,  la sincronización de la actividad neuronal es reconocida como el hallmark del procesamiento de información. ¿Es la epilepsia una expresión “exacerbada” de la actividad neuronal tal que una crisis epiléptica es un evento “hiper”-sincronizado? ¿La correlación realmente aumenta durante un evento epiléptico? Y si es así, ¿en cuáles escalas temporales y espaciales sucede? ¿Es la sincronización una expresión de la patología o mas bien, un mecanismo activo que el cerebro utiliza para terminar con la crisis? ¿Qué papel juega el foco epiléptico? ¿Es generador de la patología (y en dado caso ¿por qué y cómo?) o es sólo una especie de “nodo importante” en la red neuronal que fomenta la distribución de la actividad patológica? Todas estas son preguntas actuales, discutidas en contribuciones científicas recientes sobre el tema. En nuestro grupo se estudia de manera cuantitativa la evolución temporal de la red de sincronización tanto con datos extra-craneales como con datos intra-craneales (es decir, con electrodos implantados en el cerebro). Este estudio se realiza en colaboración con la Universidad de Berna en Suiza y el Instituto Neurológico de Medellín, Colombia.

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Figura 7: Electroencefalograma de un ataque epiléptico focal. Abajo se muestra la amplificación de 10 segundos del inicio y fin de la crisis epiléptica.

 

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Figura 8: Electroencefalogramas de algunos electrodos antes (arriba), al inicio (segundo panel desde arriba), al final (tercer panel de arriba) y después de un ataque epiléptico.

 

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Figura 9: Matrices de correlación promedio y ejemplos de señales antes (arriba), durante (centro) y después (abajo) de un ataque epiléptico.

Sueño, ¿por qué dormimos?

Una pregunta fundamental sobre el funcionamiento de nuestro cerebro es ¿por qué evolutivamente hay la necesidad de quedarse tanto tiempo en un estado indefenso? ¿Qué hace el cerebro durante el sueño? Y ¿por qué esta actividad es tan importante para su buen funcionamiento? Se sabe que la privación del sueño causa severas alteraciones de atención y habilidades cognitivas, e incluso puede provocar ataques epilépticos, aún en sujetos clínicamente sanos. Según la teoría formulada por Giulio Tononi y colaboradores las fases de sueño profundo, es decir las fases 3 y 4, son las más relevantes. Estas fases son caracterizadas por una pronunciada actividad de ondas lentas que corren encima de todo el cráneo y que según la hipótesis de Tononi, son los generadores del llamado downscaling. En esta imagen las sinapsis se descargan de tal modo que las más usadas durante el día quedan fortalecidas en comparación con las menos utilizadas (lo cual se relaciona con la consolidación de conocimiento). No obstante, las fases 3 y 4 sólo cubren una fracción de la duración de toda la noche. Entonces, ¿qué sucede durante las otras fases? Y si sólo el sueño profundo es relevante para que el cerebro descanse, ¿porqué no caemos de inmediato en esta fase para acelerar el proceso de descanso y permanecer el menor tiempo posible en un estado indefenso? Además, muchas neuronas y micro-circuitos compuestos por un grupo de neuronas, son especializados para ciertas frecuencias. ¿Qué pasa entonces con aquellos módulos que ajustan sólo a frecuencias más rápidas que la banda delta?

Usando nuevas técnicas de análisis investigamos en nuestro grupo estos aspectos con dos enfoques principales: (a) proveer evidencia cuantitativa a favor de la teoría del downscaling y (b) iluminar el papel de otras fases de sueño para la recuperación de las habilidades cognitivas durante la noche. Esta trabajo se realiza en colaboración con la Universidad de Berna en Suiza y el grupo de la Dra. Corsi Cabrera de la Facultad de Psicología de la UNAM.

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Figura 10: Panel arriba: Correlación total (azul) y desviaciones al patrón estacionario (rojo y verde) durante una noche, estimado a partir de un registro electroencefalográfico. Panel abajo: el Hipnograma que muestra las diferentes fases del sueño durante la noche (0 = vigilia, 1,2,3,4= fase 1,2,3,4, 5= Movimiento Ocular Rápido, -1=segmentos no bien definidas)

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Figura 2: Evolución temporal de la correlación en diferentes lóbulos durante la noche. El renglón mas abajo muestra el hipnograma, es decir las diferentes fases de sueño (ver barra de color a la izquierda) , los renglones arriba la correlación (ver barra de color a la derecha)

Fotografía de portada: https://flic.kr/p/8Lzggx