Un estudio revela cómo cambia la actividad cerebral a lo largo del día y da claves para detectar la fatiga

El avance en la comprensión de cómo varía la actividad cerebral a lo largo del día ha dado un paso significativo gracias a un estudio internacional liderado por la Universidad de Michigan. Los investigadores han desarrollado un protocolo experimental y un análisis computacional que permiten rastrear qué neuronas y redes cerebrales se activan en distintos momentos del ciclo diario.

Este trabajo, publicado en la revista PLOS Biology, aporta una visión inédita sobre la señalización cerebral durante el sueño y la vigilia.

Daniel Forger, autor principal y profesor de matemáticas en la Universidad de Michigan, destacó que el estudio se propuso desentrañar los mecanismos de la fatiga, un fenómeno que, según él, resulta difícil de evaluar de manera subjetiva.

“En realidad, somos pésimos para juzgar nuestra propia fatiga. Se basa en nuestro cansancio subjetivo”, explicó Forger. El objetivo del equipo es desarrollar “firmas” objetivas que permitan determinar si una persona está fatigada y si puede desempeñar tareas críticas con seguridad.

Cómo se realizó el estudio

Los métodos desarrollados podrían, en el futuro, servir para garantizar que profesionales con grandes responsabilidades descansen lo suficiente antes de iniciar actividades de alto riesgo, según los autores.

La investigación combinó esfuerzos de equipos en Estados Unidos, Japón y Suiza. Mientras los científicos de la Universidad de Michigan diseñaban los flujos de trabajo matemáticos y computacionales para analizar los datos, los colaboradores en Japón y Suiza desarrollaban un enfoque experimental innovador.

Utilizaron la microscopía de lámina de luz, una técnica de imagen avanzada que genera representaciones tridimensionales de cerebros de ratones. Además, implementaron un método de marcado genético que hacía que las neuronas activas brillaran bajo el microscopio, permitiendo identificar con precisión qué células estaban activas y en qué momento.

Kompotis explicó que, aunque los estudios de las últimas décadas han permitido descifrar cómo un gen o un tipo de neurona contribuyen al comportamiento, el verdadero desafío radica en comprender cómo todas las partes del cerebro se conectan e interactúan en tiempo real. “Lo que rige nuestro comportamiento no se trata solo de un gen, una neurona o una estructura cerebral. Se trata de todo y de cómo se conecta e interactúa en un momento dado”, afirmó Kompotis.

El equipo observó que, en los ratones, la actividad cerebral al despertar comienza en las capas internas o subcorticales. A medida que avanza el día —o la noche, dado que los ratones son animales nocturnos—, los focos de actividad se desplazan hacia la corteza cerebral superficial. Kompotis comparó este fenómeno con el funcionamiento de una ciudad: “El cerebro no solo cambia su nivel de actividad a lo largo del día o durante un comportamiento específico. De hecho, reorganiza qué redes o regiones de comunicación están a cargo, de forma similar a como las carreteras de una ciudad sirven a diferentes redes de tráfico en distintos momentos”.

Forger señaló que este patrón de reorganización cerebral podría estar vinculado a la aparición de síntomas de fatiga y, potencialmente, a trastornos psiquiátricos. Aunque el estudio no abordó directamente la relación con la salud mental, Forger expresó su convicción de que “la actividad que observamos en diferentes regiones será importante para comprender ciertos trastornos psiquiátricos”.

Por su parte, Kompotis ya ha iniciado colaboraciones para aplicar las técnicas experimentales desarrolladas en el estudio al análisis de cómo distintas terapias y fármacos afectan la actividad cerebral.

Aunque las técnicas experimentales actuales no pueden aplicarse directamente a humanos, Forger indicó que ciertos hallazgos en modelos murinos pueden trasladarse a la fisiología humana. Además, los enfoques computacionales desarrollados son generalizables, según Guanhua Sun, coautor y profesor de la Universidad de Nueva York, quien participó en el proyecto como estudiante de doctorado en la Universidad de Michigan.

Sun explicó que “las matemáticas detrás de este problema son en realidad bastante simples”, lo que permitió al equipo combinar los nuevos datos con conjuntos de datos existentes sobre cerebros de ratones. El principal reto fue asegurar que la integración de datos respetara la coherencia biológica y neurológica.

Sun añadió que, siempre que se mantenga ese estándar, el enfoque computacional podría aplicarse a datos humanos obtenidos mediante técnicas como la electroencefalografía, la tomografía por emisión de positrones (TEP) y la resonancia magnética.

“La forma en que detectamos la actividad cerebral humana es más general que la que observamos en nuestro estudio. Pero el método que presentamos en este artículo puede modificarse para que sea aplicable a esos datos humanos. También podría adaptarse a otros modelos animales, por ejemplo, los que se utilizan para estudiar el Alzheimer y el Parkinson. Diría que es bastante transferible”, afirmó Sun.

El consorcio internacional de HSFP integró equipos de la Universidad de Michigan, la Universidad de Zúrich y el Centro RIKEN de Investigación en Biosistemas y Dinámica en Japón, bajo la dirección de Hiroki Ueda. La colaboración permitió profundizar en la comprensión de las conexiones e interacciones cerebrales, sentando las bases para futuras investigaciones sobre la fatiga, la salud mental y el impacto de terapias farmacológicas en la actividad cerebral.