Una de las propiedades más sobresalientes del cerebro es su capacidad para generar oscilaciones o ritmos a distintas frecuencias. Esta cualidad oscilatoria es fácilmente capturada por el electroencefalograma (EEG) que es una técnica que nos muestra cómo cambia la actividad eléctrica de grandes grupos neuronales a través del tiempo. La apariencia de un EEG es la de un trazo enrollado como un muelle. Las circunvoluciones de ese muelle serían los cambios de la actividad eléctrica del cerebro (véase la figura 1).

Figura 1. Muestra de un EEG. La parte superior de la imagen representa las oscilaciones registradas en sensores de distintos puntos de la cabeza (zonas frontales). En la parte inferior de la imagen están registrados todos los puntos independientemente del sensor de la cabeza del que proceden: ¡Ahí está toda la información oscilatoria que puede capturar el EEG! Imágenes elaboradas con datos reales por A. Ibáñez

Evidentemente, cuanto más anchas sean esas circunvoluciones en el EEG, más lenta será la frecuencia que las produce. El primer descubrimiento asombroso sobre las oscilaciones del cerebro fue que la frecuencia dominante en el EEG cambiaba dependiendo de la actividad mental de la persona que estaba siendo evaluada. Fue Hans Berger, el propio inventor del EEG, el que observó este cambio en el patrón de la actividad cerebral. Cuando una persona realizaba operaciones aritméticas aumentaba la frecuencia dominante del trazado del EEG desde los 10 Hz a los 22 Hz aproximadamente (recuérdese que 1 Hz es una oscilación cada segundo). En el caso de que esta persona cerrase los ojos y se relajara, se revertía el efecto y la frecuencia del EEG retornaba a los 10 Hz.

Los distintos tipos de oscilaciones o ritmos suelen ser designados con el alfabeto griego y la clasificación más aceptada desde el ritmo más lento al más rápido es: delta (0,5-2 Hz), theta (3,5-6 Hz), alfa (8-12 Hz), beta (18-30Hz) y gamma (> 45 Hz) (véase la figura 2). Ahora sabemos que estos ritmos del cerebro se relacionan con procesos mentales concretos, aunque la relación exacta sigue siendo un difícil rompecabezas para los investigadores. En cualquier caso, existen ciertas características en estos ritmos que no se suelen comentar y que en mi opinión son importantes para entender la dinámica global de la corteza cerebral y su relación con la mente.

Figura 2. Distintos tipos de ritmos que se encuentran en el EEG. Se puede apreciar que la amplitud (altura) de las ondas es mayor para las más lentas (La imagen es una recreación y no muestra actividad real). Imagen de A. IbáñezLa primera característica es que cuanto más rápida es una oscilación, más pequeña es su amplitud (su altura), o lo que es lo mismo, la amplitud se relaciona inversamente con la frecuencia (amplitud ≈1/f). Como esta es una característica importantísima, la dejaremos un poco aparcada por ahora y la trataré en artículos futuros.

La segunda característica fundamental de la actividad oscilatoria del cerebro es que todos sus ritmos están presentes al mismo tiempo en mayor o menor grado (como en la  representación inferior de la figura 1). A pesar de que muchos investigadores piensan que un ritmo concreto surge de un núcleo o área cerebral específica, lo cierto es que cuando se registra la actividad cortical con sensores distribuidos por toda la cabeza, todos los tipos de oscilaciones están presentes en cada sensor. Esta característica es muy importante y nos lleva a considerar que los ritmos del cerebro conforman un lenguaje fisiológico destinado a procesar y generar información obtenida del entorno. Para aceptar esta aseveración tendríamos que aceptar también que todos los tipos de oscilaciones interaccionan y se coordinan entre sí y que, por tanto, no son independientes. Y esto nos llevaría a la última característica que me gustaría incorporar a esta lista.

La tercera característica de los ritmos cerebrales es que interactúan unos con otros y se modulan mutuamente. Se sabe que los ritmos más lentos tienen la capacidad de modular la amplitud de los más rápidos. Así, el aumento y disminución de la amplitud oscilatoria de un ritmo rápido como beta, por ejemplo, puede correlacionar con la frecuencia de un ritmo lento como delta. Se puede dar el caso de que las frecuencias lentas actúen de onda envolvente sobre las más rápidas (véase la figura 3).

 Figura 3. La onda a frecuencia lenta en rojo modula la amplitud de la onda a frecuencia rápida en verde. En este caso, la onda verde es 10 veces más rápida que la roja. Esta es una situación que se puede dar aproximadamente en la modulación alfa-beta. Estas modulaciones son un fenómeno común en el cerebro y nos dicen que los distintos ritmos interaccionan entre sí formando un lenguaje fisiológico complejo. Imagen generada a partir de código por A. IbáñezEntonces, si existe una relación entre los distintos tipos de oscilaciones, ¿se puede establecer alguna regla matemática que formalice esta interacción? Sobre esto, no hay una respuesta definitiva pero hay algunos hallazgos verdaderamente interesantes que podemos comentar:

Parece ser que los distintos ritmos oscilatorios (distintas frecuencias) se sitúan preferentemente en unos márgenes bien definidos. Las bandas de frecuencia están ordenadas en paquetes con bordes bien delimitados que en algunas ocasiones se denominan picos. Lo más llamativo es que la región central de estos intervalos tiene aproximadamente una razón igual al número áureo phi (φ) = (1 + √5)/2 ≈ 1,61803... Así, partiendo de que el ritmo alfa es aproximadamente 10 Hz, podemos generar las distintas frecuencias multiplicando sucesivamente por phi. Podemos obtener las bandas y sub-bandas de frecuencia siguiendo la razón f2/f1 = phi donde f1 y f2 son dos frecuencias consecutivas:

1,44  2,36  3,82  6,18  10  16,18  26,18  42,36  68,54  (Hz)

que se corresponde muy bien con las bandas y subbandas de frecuencia más aceptadas en la actualidad (en negrita he marcado las que se corresponderían mejor con las clásicas delta, theta, alfa, beta y gamma). Esta posibilidad fue publicada con rigor por Pletzer y sus colaboradores en 2010 en la revista Brain Research.

Cabría preguntarse porqué razón tiene que ser el número irracional phi y no el número natural 2, por ejemplo, la razón matemática para generar las distintas bandas de frecuencia. ¡Ello simplificaría mucho el trabajo y obtendríamos una buena aproximación! Pues bien, parece que si las distintas oscilaciones se correspondieran con armónicos puros de 10 (múltiplos enteros), la actividad de toda la corteza acabaría sincronizándose y entrando en un estado estable perpetuo que impediría la actividad flexible necesaria para adaptarse a los cambios del entorno. Esto es lo que ocurre precisamente en los ataques epilépticos, una hipersincronía de grandes regiones corticales que impiden el procesamiento normal de información. Sin embargo, si las distintas bandas de frecuencia están en una relación cuasi-armónica con el número irracional phi, la sincronía entre distintas áreas del cerebro puede ocurrir eventualmente pero siempre habrá una tendencia a que ese orden se descomponga. Este hecho da lugar al baile más bello de nuestro cerebro, la capacidad para sincronizar y desincronizar distintas áreas distantes de la corteza cerebral.

Por tanto, la actividad oscilatoria se organiza y desorganiza en un diálogo incansable entre distintos tipos de ritmos oscilatorios. A este fenómeno se le denomina en el ámbito de la neurociencia como metaestabilidad.

Lo más fascinante de todo es que los estados transitorios de sincronía entre diferentes áreas de la corteza se relacionan directamente con estados mentales concretos, y en su conjunto, posibilitan el flujo del pensamiento.

 

Antonio J. Ibáñez Molina
Antonio J. Ibáñez Molina

Doctor en Psicología Experimental y Neurociencias del Comportamiento en la Universidad de Granada. Actualmente investiga y da clase en la Universidad de Jaén. Ante todo, un gran aficionado a la ciencia.

Sobre este blog

El cerebro es una red de células interconectadas que dan lugar a una mente consciente. Revisaremos nuevos estudios y teorías que tratan de explicar cómo en el cerebro cabe el universo.

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