Sincronización de ondas cerebrales

El arrastre de ondas cerebrales , también conocido como sincronización de ondas cerebrales o arrastre neuronal , se refiere a la observación de que las ondas cerebrales (oscilaciones eléctricas a gran escala en el cerebro) se sincronizarán naturalmente con el ritmo de estímulos externos periódicos, como luces parpadeantes, ^{[ 1 ]} el habla, ^{[ 2 ]} la música, ^{[ 3 ]} o estímulos táctiles.

Dado que distintos estados de consciencia pueden asociarse con distintas frecuencias de ondas cerebrales dominantes, ^{[ 4 ]} se plantea la hipótesis de que el arrastre de ondas cerebrales podría inducir un estado deseado. Los investigadores han descubierto, por ejemplo, que el arrastre acústico de ondas delta durante el sueño de ondas lentas tuvo el efecto funcional de mejorar la memoria en sujetos sanos. ^{[ 5 ]}

El establecimiento del concepto de sincronización de ondas cerebrales se basa en varias ideas clave. La relación entre la actividad neuronal y los estímulos externos ha sido objeto de investigación desde los hallazgos de Berger (el inventor del EEG ) a finales de la década de 1920. Registró una desincronización relacionada con eventos del ritmo alfa en curso, evidenciada por una disminución de la amplitud alfa después de la estimulación. ^{[ 6 ]}

La noción de sincronización se introdujo en la ciencia a mediados del siglo XX como la activación de una señal temporal para un ritmo biológico, un oscilador circadiano heredado . Este oscilador bioquímico en los animales tiene un ciclo con una fase estable y está sincronizado con el tiempo solar. El concepto de sincronización describe la capacidad de los animales para sincronizarse entre sí o con estímulos externos. ^{[ 7 ]} En 1971, el profesor Aschoff y sus colegas fueron pioneros en el estudio de la sincronización en sistemas biológicos. Sus experimentos informaron que las señales sociales sincronizan los ritmos circadianos humanos. ^{[ 8 ]} Dado que la fisiología refleja en gran medida la actividad neuronal, este descubrimiento demuestra la sincronización neuronal (o sincronización de ondas cerebrales) y muestra que la sincronización neuronal con estímulos periódicos externos es un mecanismo esencial en fisiología. ^{[ 9 ]}

En 1988, dos investigadores fisiológicos, Leon Glass y Michael Mackay, contribuyeron a la comprensión de los procesos dinámicos en fisiología al explicar las "enfermedades dinámicas" que surgen de alteraciones en la sincronización de las funciones vitales. Exploraron cuestiones teóricas centrales sobre los ritmos fisiológicos desde las perspectivas de la biología, la medicina, la física y las matemáticas. ^{[ 10 ]} Este conocimiento aportó información valiosa para el desarrollo de la teoría de sistemas complejos , explicando cómo dos o más osciladores autónomos e independientes con ritmos o frecuencias diferentes, cuando se encuentran próximos y pueden interactuar durante el tiempo suficiente, se influyen mutuamente en un grado que depende de la fuerza de acoplamiento. ^{[ 11 ]}

En 1999, el profesor Thaut y sus colegas demostraron, en numerosos experimentos, que las oscilaciones acústicas podían sincronizar los patrones de movimiento en pacientes con trastornos neurológicos, estableciendo así el uso del arrastre neuronal en medicina. ^{[ 12 ]}

En 2018, el profesor McCraty descubrió que la señal del electrocardiograma de una persona se registraba en el electroencefalograma de otra persona y en otras partes de su cuerpo. Si bien esta señal era más potente cuando las personas estaban en contacto, también era detectable cuando los sujetos estaban cerca pero no conectados. ^{[ 13 ]} El profesor Gordon y sus colegas informaron sobre la evidencia empírica de intervalos entre latidos cardíacos similares (medidos mediante electrocardiogramas) de los miembros de un grupo debido a un oscilador rítmico externo. ^{[ 14 ]} Los estudios cuantitativos han respaldado la afirmación de que las frecuencias cardíacas de las personas se sincronizan cuando están físicamente cerca unas de otras. ^{[ 15 ]}

En 2022, el profesor Pejstrup Agger y sus colegas inventaron un nuevo tratamiento para la enfermedad de Alzheimer, el arrastre de ondas cerebrales mediante parpadeo espectral invisible a 40  Hz. ^{[ 16 ]}

En 2023, el profesor Thomas J. Nichting de la Universidad Tecnológica de Eindhoven mostró evidencia de acoplamiento cardíaco materno-fetal, que se refiere al arrastre del corazón fetal a los ritmos cardíacos maternos. ^{[ 17 ]}

La interacción entre el sistema nervioso y el corazón es un área de estudio emergente. En 2024, el profesor letón Igor Val Danilov propuso una teoría sobre la base evolutiva del arrastre de ondas cerebrales a oscilaciones externas. Desarrolló un modelo neurocognitivo madre-feto que proporciona información neurofisiológica sobre cómo comienza la cognición a través del arrastre neuronal fetal a las oscilaciones naturales (denominadas neuroestimulación natural) producidas por el cuerpo de la madre. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

En 2024, investigadores del MIT , liderados por el profesor TaeHyun Kim, descubrieron que la exposición diaria a la luz y al sonido a 40 hercios puede proteger a los pacientes con cáncer del daño inducido por la quimioterapia , el deterioro de la memoria y otros efectos cognitivos. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

El arrastre de ondas cerebrales al ritmo de estímulos externos periódicos depende en gran medida de mecanismos evolutivos. Una hipótesis de neuroestimulación natural explica el arrastre de ondas cerebrales como procesos heredados evolutivamente para la sincronización del sistema nervioso madre-feto durante la gestación, asegurando el crecimiento neural fetal y el inicio de las funciones cognitivas. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Según la visión predominante en la ciencia cognitiva, la manifestación de las funciones cognitivas está asociada con la coordinación temporal de oscilaciones neuronales en diferentes regiones del cerebro. ^{[ 22 ]} La mayoría de las actividades cerebrales están relacionadas con eventos en los que grandes conjuntos de neuronas cooperan, mostrando oscilaciones en cuatro órdenes de frecuencia, desde las oscilaciones infrabajas (<0,01  Hz) hasta las ultrarrápidas (200  Hz): bandas de frecuencia delta (0,5–4  Hz), theta (4–8  Hz), actividad alfa (8–13  Hz), beta (13–30  Hz) y gamma (30–200  Hz). Las oscilaciones de alta frecuencia están asociadas con la coordinación temporal de conjuntos celulares locales. Las investigaciones informaron que están localizadas en el tiempo y el espacio, lo que refleja la activación sincrónica de conjuntos celulares más pequeños. ^{[ 23 ]} Considerando la propagación de ondas de alta frecuencia en los tejidos a una distancia de solo unos pocos milímetros, ^{[ 24 ]} la hipótesis de la neuroestimulación natural explica por qué las oscilaciones de alta frecuencia de zonas del sistema nervioso anatómicamente no conectadas se sincronizan.

Basándose en una revisión de numerosos estudios de neurociencia, el profesor Vinck y sus colegas destacaron cuatro hipótesis sobre un mecanismo de coordinación temporal: ^{[ 25 ]}

(1) Sincronización oscilatoria (comunicación a través de la coherencia); ^{[ 26 ]}

(2) comunicación por resonancia; ^{[ 27 ]}

(3) integración no lineal; ^{[ 28 ]} y

(4) transmisión de señal lineal (coherencia a través de la comunicación). ^{[ 29 ]}

Entre ellas, la idea de interacciones de ondas cerebrales para la sincronización oscilatoria de la red es la más influyente. ^{[ 30 ]} Luego, el profesor letón Igor Val Danilov extendió estos hallazgos. Argumenta que, en la coordinación temporal, las oscilaciones cardíacas de baja frecuencia pueden armonizar las oscilaciones cerebrales de alta frecuencia a través del sistema nervioso debido a la ley de interferencia. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 31 ]} De hecho, en física, cuando se superponen ondas incoherentes, la intensidad de la onda resultante es igual a la suma de las potencias de las ondas superpuestas. La energía de las oscilaciones resultantes de cada punto del medio es similar a la suma de las energías de sus oscilaciones debido a todas las ondas incoherentes. Así, la interferencia ocurre cuando dos oscilaciones se combinan: las oscilaciones de baja frecuencia modulan las de alta frecuencia y las propagan a la distancia de su propia propagación. En neurociencia, esta interferencia de ondas, donde la fase del ritmo lento subyacente modula la potencia de oscilaciones más rápidas, se denomina a menudo oscilaciones anidadas. Debido a la capacidad de las ondas de baja frecuencia para propagarse a largas distancias en los tejidos humanos, las oscilaciones cerebrales de alta frecuencia anidadas por los latidos del corazón, provenientes de zonas del sistema nervioso anatómicamente no conectadas, se sincronizan. Es decir, la interferencia entre las oscilaciones cardíacas y las oscilaciones cerebrales de alta frecuencia es crucial para la coordinación temporal, el procesamiento neuronal integrado y la cognición. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 31 ] [ 32 ]} Durante el embarazo, las oscilaciones cardíacas de la madre consolidan la actividad neuronal en ambos organismos, que coexisten en el mismo contexto ecológico, es decir, los estímulos vocales del entorno materno. El entorno fetal incluye tanto las interacciones fisicoquímicas con el cuerpo de la madre como los sonidos del entorno materno que pueden llegar al sistema auditivo del feto. De esta manera, las interacciones físicas entre la madre y el feto estimulan la sensibilidad fetal. Debido a la sincronía neuronal, ciertas reacciones del sistema nervioso maduro se convierten en un modelo para el organismo inmaduro en las primeras etapas del desarrollo de la percepción y, posteriormente, de la cognición. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 31 ] [ 32 ]}

Según el profesor Val Danilov, el campo electromagnético materno, la onda acústica compleja y la ecología de la madre son factores fundamentales en el desarrollo adecuado del sistema nervioso del niño. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} El sistema nervioso fetal aprende a reaccionar de la misma manera que el sistema nervioso de la madre responde a los estímulos. El acoplamiento de ambos sistemas nerviosos en la percepción de estímulos ambientales contribuye al inicio de la cognición y al desarrollo de las emociones al asociar señales afectivas con estímulos que activan vías neuronales para reflejos simples. ^{[ 36 ]}

Las oscilaciones neuronales son actividad electroquímica rítmica o repetitiva en el cerebro y el sistema nervioso central . ^{[ 37 ]} Dichas oscilaciones se pueden caracterizar por su frecuencia , amplitud y fase . El tejido neural puede generar actividad oscilatoria impulsada por mecanismos dentro de las neuronas individuales , así como por interacciones entre ellas. También pueden ajustar la frecuencia para sincronizarse con la vibración periódica de estímulos acústicos o visuales externos . ^{[ 38 ] [ 39 ]}

La actividad de las neuronas genera corrientes eléctricas ; y la acción sincrónica de conjuntos neuronales en la corteza cerebral, que comprenden un gran número de neuronas , produce oscilaciones macroscópicas . Estos fenómenos pueden ser monitorizados y documentados gráficamente mediante un electroencefalograma (EEG). Las representaciones de estas oscilaciones en el EEG se denominan comúnmente «ondas cerebrales». ^{[ 40 ] [ 41 ]}

La técnica de registrar la actividad eléctrica neuronal dentro del cerebro a partir de lecturas electroquímicas tomadas del cuero cabelludo se originó con los experimentos de Richard Caton en 1875, cuyos hallazgos fueron desarrollados en EEG por Hans Berger a finales de la década de 1920. ^{[ 42 ]}

El papel funcional de las oscilaciones neuronales aún no se comprende completamente; ^{[ 43 ]} sin embargo, se ha demostrado que se correlacionan con respuestas emocionales, control motor y varias funciones cognitivas, incluyendo la transferencia de información, la percepción y la memoria. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} Específicamente, las oscilaciones neuronales, en particular la actividad theta , están ampliamente vinculadas con la función de la memoria, y el acoplamiento entre la actividad theta y gamma se considera vital para las funciones de la memoria, incluyendo la memoria episódica . ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

El arrastre es un concepto identificado por primera vez por el físico holandés Christiaan Huygens en 1665, quien descubrió el fenómeno durante un experimento con relojes de péndulo : los puso en movimiento y descubrió que cuando regresó al día siguiente, el movimiento de sus péndulos se había sincronizado. ^{[ 50 ]}

Este arrastre se produce porque se transfieren pequeñas cantidades de energía entre los dos sistemas cuando están desfasados, generando así una retroalimentación negativa . A medida que adoptan una relación de fase más estable, la cantidad de energía se reduce gradualmente a cero: los sistemas de mayor frecuencia se ralentizan y los otros se aceleran. ^{[ 51 ]}

El término «sincronización» se ha utilizado para describir una tendencia común de muchos sistemas físicos y biológicos a sincronizar su periodicidad y ritmo mediante la interacción. Esta tendencia se ha identificado como particularmente relevante para el estudio del sonido y la música en general, y de los ritmos acústicos en particular. Los ejemplos más conocidos de sincronización neuromotora con estímulos acústicos se observan en el golpeteo espontáneo de pies o dedos al ritmo de una canción .

Las ondas cerebrales, u oscilaciones neuronales , comparten los componentes fundamentales con las ondas acústicas y ópticas , incluyendo frecuencia, amplitud y periodicidad. En consecuencia, el descubrimiento de Huygens impulsó la investigación sobre si la actividad eléctrica sincrónica de los conjuntos neuronales corticales no solo se modifica en respuesta a estímulos acústicos u ópticos externos , sino que también sincroniza su frecuencia con la de un estímulo específico. ^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]}

El arrastre de ondas cerebrales es un término coloquial para "arrastre neuronal" ^{[ 9 ]} , que es un término utilizado para denotar la forma en que la frecuencia agregada de oscilaciones producidas por la actividad eléctrica sincrónica en conjuntos de neuronas corticales puede ajustarse para sincronizarse con la vibración periódica de estímulos externos, como una frecuencia acústica sostenida percibida como tono , un patrón que se repite regularmente de sonidos intermitentes, percibido como ritmo, o de una luz intermitente rítmicamente regular.

• Will U, Berg E (31 de agosto de 2007). "Sincronización y arrastre de ondas cerebrales a estímulos acústicos periódicos". Neuroscience Letters . 424 (1): 55– 60. doi : 10.1016/j.neulet.2007.07.036 . PMID 17709189. S2CID 18461549 .  
• Kitajo, K.; Hanakawa, T.; Ilmoniemi, RJ; Miniussi, C. (2015). Enfoques manipulativos de la dinámica del cerebro humano . Temas de investigación de fronteras. Fronteras Media SA. pag.  165.ISBN​ 978-2-88919-479-7.
• Thaut, MH, Ritmo, música y cerebro: fundamentos científicos y aplicaciones clínicas (Estudios sobre nuevas investigaciones musicales). Nueva York, NY: Routledge, 2005.
• Berger, J. y Turow, G. (Eds.), Música, ciencia y el cerebro rítmico  : implicaciones culturales y clínicas. Nueva York, NY: Routledge, 2011.

• Datos relacionados con el arrastre de ondas cerebrales en Wikidata
• Así funciona tu cerebro en la comunicación | Uri Hasson (Charla TED)