Cirugía de Epilepsia Revela las Autopistas Secretas del Cerebro: El Papel de los Centros Neurales

La investigación realizada por el equipo de la Universidad de Iowa en pacientes con epilepsia mostró que los nodos cerebrales son cruciales para el procesamiento cerebral normal, especialmente en el lenguaje. El cerebro mostró una rápida respuesta adaptativa después de la eliminación de un nodo relacionado con el lenguaje, destacando la importancia de estos nodos y desafiando teorías anteriores. Crédito: SciTechDaily.com

Un experimento raro durante la cirugía cerebral ayuda a los investigadores a comprender mejor las redes neuronales.

Un equipo internacional de neurocientíficos liderado por la Universidad de Iowa ha obtenido las primeras grabaciones directas del cerebro humano en los minutos anteriores y posteriores a la desconexión quirúrgica de un nodo cerebral crucial para el significado del lenguaje. Los resultados revelan la importancia de los nodos cerebrales en las redes neuronales y la forma sorprendente en que el cerebro humano intenta compensar cuando se pierde un nodo, con una inmediatez no observada anteriormente.

¿Qué sucede cuando el cerebro pierde un nodo importante? ¿Cuál es el impacto inmediato en la red neuronal y cómo se compensa?

Los nodos están en todas partes. El cubo de la rueda de una bicicleta, con rayos que salen del centro, evita que la rueda se colapse cuando se monta en bicicleta. Los nodos de los aeropuertos conectan ciudades de todo el mundo. Y los nodos sociales como las cafeterías o las redes sociales en línea son lugares donde la gente se reúne para interactuar.

El cerebro humano también tiene nodos: la intersección de muchas vías neuronales que ayudan a coordinar la actividad cerebral requerida para funciones complejas como entender y responder al habla. Sin embargo, ha habido controversia sobre si los nodos cerebrales altamente interconectados son irremplazables para ciertas funciones cerebrales. Según algunos informes, el cerebro, como una red neuronal ya altamente interconectada, puede en principio compensar inmediatamente la pérdida de un nodo, de la misma manera que el tráfico puede ser redirigido alrededor de un centro de la ciudad bloqueado.

Crédito: University of Iowa Health Care

Con una rara oportunidad experimental, los equipos de neurocirugía e investigación de la Universidad de Iowa, liderados por Matthew Howard III, Médico del Profesor y DEO de Neurocirugía, y Christopher Petkov, Doctor en Filosofía, profesor y vicepresidente de investigación en Neurocirugía, han logrado un avance en la comprensión de la necesidad de un solo nodo.

Al obtener evidencia de lo que sucede cuando se pierde un nodo necesario para el significado del lenguaje, los investigadores demostraron tanto la importancia intrínseca del nodo como la capacidad sorprendente y rápida del cerebro para adaptarse e intentar al menos parcialmente compensar de inmediato su pérdida. Los hallazgos fueron reportados recientemente en la revista Nature Communications.

El estudio se llevó a cabo durante el tratamiento quirúrgico de dos pacientes con epilepsia. Ambos pacientes se sometieron a procedimientos que requerían la extirpación quirúrgica del lóbulo temporal anterior, un nodo cerebral para el significado del lenguaje, para permitir que los neurocirujanos accedieran a una área cerebral más profunda que causaba las convulsiones epilepticas debilitantes de los pacientes. Antes de este tipo de cirugía, los equipos de neurocirugía a menudo les piden a los pacientes que realicen tareas de habla y lenguaje en la sala de operaciones mientras el equipo utiliza electrodos implantados para registrar la actividad de partes del cerebro cercanas y distantes del área planificada de la cirugía. Estas grabaciones ayudan al equipo clínico a tratar eficazmente las convulsiones mientras limitan el impacto de la cirugía en las habilidades de habla y lenguaje del paciente.

Típicamente, los electrodos de registro no son necesarios después del procedimiento de resección quirúrgica y se retiran. La innovación en este estudio fue que el equipo de neurocirugía pudo completar de manera segura el procedimiento con los electrodos de registro en su lugar o reemplazados en la misma ubicación después del procedimiento. Esto permitió obtener raras grabaciones pre y post-operatorias que permitieron a los investigadores evaluar las señales de áreas cerebrales lejanas al nodo, incluyendo áreas de habla y lenguaje alejadas del sitio de la cirugía. El análisis del cambio en las respuestas a los sonidos del habla antes y después de la pérdida del nodo reveló una rápida interrupción de la señalización y una compensación parcial posterior de la red cerebral más amplia.

"El impacto rápido en las regiones de procesamiento del habla y el lenguaje, alejadas del sitio de tratamiento quirúrgico, fue sorprendente, pero lo que fue aún más sorprendente fue cómo el cerebro estaba trabajando para compensar, aunque de manera incompleta, en este corto período de tiempo", dice Petkov, que también tiene un puesto en la Facultad de Medicina de la Universidad de Newcastle en el Reino Unido.

Los hallazgos refutan teorías que desafían la necesidad de nodos cerebrales específicos al mostrar que el nodo era importante para mantener un procesamiento cerebral normal en el lenguaje.

"El tratamiento neuroquirúrgico y las nuevas tecnologías continúan mejorando las opciones de tratamiento proporcionadas a los pacientes", dice Howard, quien también es miembro del Instituto de Neurociencia de Iowa. "La investigación como esta subraya la importancia de obtener y comparar de manera segura grabaciones eléctricas antes y después de la cirugía, especialmente cuando un nodo cerebral puede verse afectado".

According to the researchers, the observation on the nature of the immediate impact on a neural network and its rapid attempt to compensate provides evidence in support of a brain theory proposed by Professor Karl Friston at University College London, which posits that any self-organizing system at equilibrium works towards orderliness by minimizing its free energy, a resistance of the universal tendency towards disorder. These neurobiological results following human brain hub disconnection were consistent with several predictions of this and related neurobiological theories, showing how the brain works to try to regain order after the loss of one of its hubs.

Reference: “Immediate neural impact and incomplete compensation after semantic hub disconnection” by Zsuzsanna Kocsis, Rick L. Jenison, Peter N. Taylor, Ryan M. Calmus, Bob McMurray, Ariane E. Rhone, McCall E. Sarrett, Carolina Deifelt Streese, Yukiko Kikuchi, Phillip E. Gander, Joel I. Berger, Christopher K. Kovach, Inyong Choi, Jeremy D. Greenlee, Hiroto Kawasaki, Thomas E. Cope, Timothy D. Griffiths, Matthew A. Howard III and Christopher I. Petkov, 7 October 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-42088-7

In addition to Petkov and Howard, the research team included researchers in the UI Departments of Neurosurgery, Radiology, and Psychological and Brain Sciences, as well as colleagues from Newcastle University, UCL, and University of Cambridge in the UK, and from Carnegie Mellon University, University of Wisconsin-Madison, and Gonzaga University in the United States.

The research was funded in part by grants from National Institutes of Health, the Wellcome Trust. and the European Research Council.