Estudian el desarrollo de cerebros gemelos digitales para la mejora terapéutica de enfermedades neurológicas

La Universidad Pablo de Olavide, a través de su Laboratorio traslacional de Estimulación Cerebral, participa en el proyecto europeo ‘Digital twins for model-driven non-invasive electrical brain stimulation’ (NEUROTWIN), financiado con 4.485.736,25 euros en la última convocatoria FET Proactive, programa del pilar de Ciencia Excelente de H2020 que apoya el desarrollo de tecnologías futuras y emergentes.

Javier Márquez en su laboratorio de la UPO.

Científicos y clínicos de varias disciplinas trabajan en este proyecto con el que pretenden presentar soluciones terapéuticas innovadoras a través de un paradigma de neuromodulación personalizado basado en modelos digitales de cerebro.

La comprensión del cerebro está progresando rápidamente gracias a las nuevas tecnologías de neuroimagen y estimulación cerebral, así como al desarrollo de herramientas conceptuales y la aparición de nuevos modelos computacionales. En este contexto nace el proyecto NEUROTWIN, cuyo objetivo es desarrollar modelos avanzados e individualizados de cerebro completo que predigan los efectos fisiológicos de la estimulación electromagnética transcraneal y puedan ser utilizados para caracterizar cambios en la actividad cerebral asociados a una patología determinada, así como diseñar y optimizar protocolos de estimulación cerebral en enfermedades como el Alzheimer.

Y es que el avance multidisciplinar realizado en los últimos años sugiere que el modelado computacional jugará un papel crucial en el estudio del cerebro, así como sus patologías asociadas en los próximos años. “El desarrollo de modelos computacionales personalizados para cada individuo podría impulsar la aparición de nuevas ideas en neurociencia básica, reducir la incertidumbre en el diagnóstico y optimizar la aplicación de diversas herramientas terapéuticas, constituyendo un hito en la neurociencia y la neuropsiquiatría”, explica Javier Márquez, investigador principal del Laboratorio traslacional de Estimulación Cerebral de la UPO.

Así, el equipo científico desarrollará cerebros gemelos digitales, basados en datos fisiológicos procedentes de la experimentación básica, que reproduzcan los fenómenos observados en el efecto que ejercen los campos eléctricos sobre la actividad cerebral, lo que permitirá proponer nuevos protocolos de estimulación cerebral que serán aplicados tanto en sujetos sanos como en pacientes con la enfermedad de Alzheimer.

De este modo, el proyecto NEUROTWIN desarrollará los primeros modelos computacionales de cerebro completo a partir de los datos procedentes de ratones y sujetos humanos. Se utilizarán ratones silvestres y modelos de la enfermedad de Alzheimer para mejorar estos modelos computacionales mediante la obtención de datos inaccesibles en el cerebro humano. Es aquí donde entra en juego el equipo científico de la UPO, especializado en caracterizar los mecanismos cerebrales que median los efectos inducidos por diversas técnicas de estimulación cerebral no invasivas.

“La estimulación eléctrica transcraneal es una técnica no invasiva e indolora que, aplicando corrientes débiles sobre el cuero cabelludo de los sujetos, permite modificar la actividad de las poblaciones neuronales haciendo que el comportamiento de estás se aleje de la condición patológica y se aproxime a un correcto funcionamiento”, explica Javier Márquez, quien añade que “para que su aplicación sea efectiva necesitamos conocer los cambios patológicos que tienen lugar en la dinámica cerebral de los individuos y comprender cómo la estimulación cerebral puede restaurarla”.

Así, el Laboratorio traslacional de Estimulación Cerebral estudiará los efectos de la estimulación eléctrica en animales, desarrollando modelos de cerebro que tengan utilidad para los humanos. Una vez optimizados, los modelos se utilizarán para mejorar los protocolos de estimulación que serán posteriormente aplicados a un grupo de pacientes con la enfermedad de Alzheimer.

Desarrollo de tecnologías futuras y emergentes

La convocatoria FET Proactive, busca la cooperación interdisciplinar estimulando el desarrollo de nuevas tecnologías más allá del entorno académico. El objetivo de este programa es identificar ideas rompedoras que puedan suponer un nuevo paradigma tecnológico impulsando su desarrollo desde la ciencia básica hasta su llegada al mercado internacional, aglutinando para ello al sector académico e industrial europeos.

Coordinado por la empresa NEUROELECTRICS BARCELONA SL, participan en Neurotwin, además de la Universidad Pablo de Olavide, la Universidad Pompeu Fabra, Forschungsgesellschaft fur arbeitsphysiologie und arbeitsschutz, Uppsala University, Beth Israel Deaconess Medical Center y Fondazione Santa Lucia.

Laboratorio traslacional de Estimulación Cerebral

En los últimos años, el equipo científico se ha centrado en la generación de nuevos modelos animales para explorar los mecanismos que subyacen a la estimulación eléctrica transcraneal y su posible aplicación en diversas patologías como la epilepsia, el autismo o la enfermedad de Alzheimer. Para ello, este laboratorio combina técnicas como el registro neuronal, la optogenética o la histología con pruebas de comportamiento en animales silvestres y transgénicos.

A lo largo de este tiempo, han establecido la infraestructura de investigación necesaria para los estudios de estimulación cerebral animal creando así el Laboratorio traslacional de Estimulación Cerebral de la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla.

Este grupo de investigación, cuyo laboratorio forma parte de la Red Española de Estimulación Cerebral, trabaja actualmente en varios proyectos financiados por el Ministerio de Ciencia e Innovación, el National Institutes of Health (NIH) de Estados Unidos y la Junta de Andalucía.