Un equip de la Universitat Pompeu Fabra ha aplicat, en col·laboració amb investigadors d’arreu del món, un estudi que aplica la segona llei de la termodinàmica a l’anàlisi del cervell, caracteritzant-ne els diversos estats. En un article a ‘Communications Biology’, expliquen com han fet servir aquesta branca de la física per entendre i generar un biomarcador robust per distingir els diversos estats, com ara el son, la vigília, l’activita cognitiva activa, un coma…
Una teoria universal
El 1949, a les seves ‘Notes autobiogràfiques’, Albert Einstein afirmava que una teoria “resulta més impressionant com més gran és la simplicitat de les seves premisses, més fenòmens diferent relaciona i més extensa és la seva àrea d’aplicabilitat”. És per això que la termodinàmica clàssica li havia produit una “profunda impressió”, ja que la considerava “l’única teoria física de contingut universal” que, “en el marc de l’aplicabilitat dels seus conceptes bàsics”, mai no seria “enderrocada”. El cert és que els seus principis són aplicables a qualsevol sistema: als motors, a les reaccions químiques, a l’expansió de l’univers i, fins i tot, als estats cerebrals.
L’entropia del cervell
Gustavo Deco, director del grup de la UPF, recorda que han estudiat durant molts anys com canvia la dinàmica del cervell entre els diversos estats. La idea, explica, és que “funciona com una orquestra”, amb un director i caps a cada ‘secció’. “Segons l’estat”, diu, “aquestes jerarquies canvien i es transformen”, i és aquí on es poden distingir les coses, un canvi que es pot quantificar mesurant com es connecten funcionalment a cada estat del cervell.
Els investigadors van mirar de fer això, però no només mesurant les interaccions entre parts del cervell amb la Imatge per Ressonància Magnètica Funcional (fMRI), que permet veure l’activitat cerebral, sinó també amb un truc basat en la segona llei de la termodinàmica: un sistema tendeix a passar de l’ordre al desordre a l’hora que passa el temps, i aquest augment en el desordre es coneix com a “entropia”.
Entropia, equilibri i reversibilitat
Si l’entropia augmenta a mesura que passa el temps, el sistema no està en equilibri i és irreversible en el temps, és a dir, no podem saber en quin moment és. En canvi, si no hi ha entropia o no creix, és un sistema en equilibri i, per tant, reversible en el temps.
Un exemple és un vídeo d’un got trencant-se: si el mirem cap enrere o cap endavant podem saber si som abans o després que es trenqui, per exemple. En canvi, un sistema reversible podria ser un vídeo d’un joc de billar, el moment en què dues boles xoquen i s’allunyen l’una d el’altra. En mostrar el vídeo, tant si és cap endavant com cap enrere, és idèntic, no podem saber en quin moment son.
Al cervell passa el mateix
“En quantificar la relació entre les diferent parts del cervell es trenca la simetria”, diu Deco. Si es mou la sèrie de senyals endavant i enrere i es compara, es pot saber de quin sistema es tracta: un de reversible és no jeràrquic, i un no reversible és jeràrquic. Aplicant això, els investigadors va veure que és un bon biomarcador de la consciència cerebral. En experiments en humans, les dades dels fMRI van mostrar diferències entre el son i la vigília i també quan fem tasques cognitives: “a mesura que fem és tasques cognitives, tenim més no reversibilitat, és a dir, el sistema és més jeràrquic, i al revés”.
Aquest biomarcador, afirma Deco, és “molt bo” perquè és “molt sensible” i demostra que “hi ha un mecanisme al darrere”. Gràcies a això es poden classificr els diferents estats cerebrals, especilment aquells en què “el consens no és clar”, com el coma. És un tema molt pràctic ja que la classificació dels estats ajuda a definir tractaments i expectatives per als pacients, i tenir un biomarcador que caracteritzi malalties neuropsiquiàtriques, accidents cerebrovasculars, infarts o fins i tot depressió és el primer pas.
“Després cal moderlar-lo i utilitzar el model ‘in silico’ per provar totes les pertorbacions que siguin possibles”, afegeix Deco, i també que siguin individualitzades per “determinar el millor pla d’acció” per a cada pacient. Aquest tipus d’aproximació, conclou, també té “un gran interès translacional”, és a dir, que els resultats d’aquesta recerca bàsica es poden aplicar a la indústria.
