Estudio de modelos dinámicos fenomenológicos del cerebro en múltiples estados de conciencia - Piccinini, Juan Ignacio (2025)
Desde los albores de la ciencia moderna, los modelos matemáticos han sido un pilar esencial para el avance en la comprensión de los sistemas dinámicos, desde el movimiento de los planetas hasta la propagación de enfermedades. En las últimas décadas, los avances tecnológicos en neuroimágenes no invasivas han permitido aplicar este enfoque para comprender el funcionamiento del cerebro y, en particular, su propiedad emergente más enigmática: la conciencia. A pesar de que múltiples avances han proporcionado conocimiento de carácter descriptivo sobre los sustratos neurobiológicos de la conciencia, los mecanismos subyacentes aún no se comprenden completamente. En particular, los modelos matemáticos se pueden aplicar al estudio de los estados de conciencia, entendidos como modificaciones globales y sostenidas en el tiempo del carácter cualitativo de la experiencia subjetiva. En este contexto, el modelado permite formular y evaluar hipótesis falsables sobre los mecanismos implicados. Los modelos fenomenológicos desempeñan un papel fundamental en la neurociencia contemporánea, dado que permiten representar y entender distintos procesos cerebrales haciendo énfasis en sus características dinámicas, sin adentrarse en detalles biológicos complejos. Al combinarlos con datos empíricos obtenidos a partir de neuroimágenes funcionales, estos modelos permiten captar aspectos generales de la actividad cerebral global, reflejando tanto las propiedades locales de las regiones cerebrales como las influencias mutuas entre ellas. A lo largo de esta tesis, los modelos fenomenológicos se utilizaron para avanzar en la comprensión de los mecanismos subyacentes del cerebro transitando distintos estados de conciencia, incluyendo estados de conciencia reducida, tal como el sueño profundo, y estados alterados inducidos farmacológicamente mediante el psicodélico serotoninérgico N,N-dimetiltriptamina (DMT). En primer lugar, se caracterizó el espacio de posibles modelos fenomenológicos en cuanto a su capacidad para representar la actividad global del cerebro humano, registrada mediante resonancia magnética funcional (fMRI). Para ello, se propusieron ecuaciones polinomiales genéricas con coeficientes ajustables a partir de optimizar la reproducción de observables empíricos. Los resultados demostraron que la actividad local se asocia a un tipo particular de dinámica y estabilidad, que puede capturarse mediante formas normales de Hopf, también conocidas como osciladores de Stuart-Landau. Además, se evidenció que el sueño profundo se caracteriza por un aumento de la estabilidad dinámica en comparación con el estado de vigilia. En la segunda parte de esta tesis, se introdujo un enfoque novedoso basado en un modelo con parámetros dependientes del tiempo para investigar los efectos del DMT, una droga psicodélica con efectos de corta duración. Se encontró que los parámetros que regulan la dinámica temporal tienden a ubicarse cerca de una bifurcación en el caso de la actividad generada por el DMT, y que su evolución temporal se encuentra en concordancia con una descripción sencilla de la farmacocinética de dicha sustancia. Además, al explorar la respuesta del modelo óptimo ante forzantes externos, se descubrió que la modulación temporal propuesta introduce un intervalo transitorio durante el cual la propagación de estímulos se vuelve óptima para las redes de conexiones cerebrales que poseen una mayor densidad de receptores serotoninérgicos vinculados al DMT. Finalmente, se investigó el caos determinista como una alternativa a la multiestabilidad inducida por ruido en la reproducción de observables de la actividad cerebral en estado de reposo. Estudios previos han señalado la falta de robustez de los modelos impulsados por ruido al intentar captar simultáneamente múltiples observables empíricos de tipo estático y dinámico. Este trabajo comparó formas normales de Hopf (osciladores de Stuart-Landau) con osciladores de Rössler (capaces de exhibir caos determinístico) en cuanto a la capacidad de estas diferentes dinámicas a la hora de reproducir múltiples observables en simultáneo. Los hallazgos demostraron que el caos determinista cumple con el objetivo de ajustar métricas disímiles dentro de un mismo rango de parámetros, superando así ciertas limitaciones de los modelos de equilibrio impulsados por ruido. En resumen, los contenidos de esta tesis presentan una evaluación exhaustiva e integral de los modelos fenomenológicos como descriptores cuantitativos de la dinámica cerebral global registrada con fMRI, al mismo tiempo que demuestran cómo distintos estados de conciencia pueden caracterizarse por su estabilidad ante perturbaciones endógenas y exógenas.