Los microestados del EEG son estados o patrones transitorios, pautados y cuasi estables de un electroencefalograma . Suelen durar desde milisegundos hasta segundos y se supone que son las ejemplificaciones más básicas de las tareas neurológicas humanas , por lo que se los conoce como "los átomos del pensamiento". [1] La estimación y el análisis de microestados se hacían originalmente utilizando la actividad de la banda alfa , aunque ahora se utilizan normalmente bandas de EEG de ancho de banda más amplio. [2] La cuasiestabilidad de los microestados significa que la "topografía global [del EEG] es fija, pero la intensidad puede variar y la polaridad invertirse". [3]
El concepto de microestados temporales de la actividad eléctrica cerebral durante el reposo sin tarea y la ejecución de la tarea (microestados relacionados con eventos) fue desarrollado por Dietrich Lehmann y sus colaboradores (The KEY Institute for Brain-Mind Research, Universidad de Zurich, Suiza) entre 1971 y 1987, [4] [5] [6] (ver "Microestados EEG". Scholarpedia .) Los doctores Thomas Koenig (Hospital Universitario de Psiquiatría, Suiza) y Dietrich Lehmann (Instituto KEY para la Investigación Cerebro-Mente, Suiza) [1] suelen ser considerados los pioneros del análisis de microestados EEG. [2] En su artículo de 1999 en los Archivos Europeos de Psiquiatría y Neurociencia Clínica , [1] Koenig y Lehmann habían estado analizando los EEG de personas con esquizofrenia , con el fin de investigar las posibles raíces cognitivas básicas del trastorno. Comenzaron a centrar su atención en los EEG en una escala de milisegundos. Determinaron que tanto los sujetos normales como los esquizofrénicos compartían estos microestados, pero variaban en características entre los dos grupos, y concluyeron que:
Aislar y analizar la secuencia de microestados del EEG es una operación post hoc que normalmente utiliza varios pasos de filtrado y promediado. Cuando Koenig y Lehman realizaron su experimento en 1999, construyeron estas secuencias partiendo del EEG en estado de reposo con los ojos cerrados de un sujeto. Se aislaron los primeros minutos libres de eventos del EEG, luego se volvieron a filtrar períodos de alrededor de 2 segundos cada uno ( paso de banda ≈ 2–20 Hz). Una vez filtradas las épocas, estos microestados se agruparon analíticamente en clases medias mediante el agrupamiento de k-medias , post hoc. [7] También se ha propuesto un enfoque probabilístico, utilizando Fuzzy C-Means, para el agrupamiento y la posterior asignación (ver más abajo) de microestados. [8]
Dado que el cerebro pasa por tantas transformaciones en escalas de tiempo tan cortas, el análisis de microestados es esencialmente un análisis de estados de EEG promedio. Koenig y Lehmann establecieron el estándar para crear clases o configuraciones de EEG promediadas recurrentes. Una vez que se recopilan todos los datos de EEG, se elige un segmento de EEG "prototipo", con el que se comparan todos los demás microestados recopilados. Así es como comienza el proceso de promediado. Se calcula la varianza de este "prototipo" para agregarlo a una clase existente o para crear una clase separada. Después de que se "agrupan" configuraciones similares, el proceso de selección y comparación de un "prototipo" se repite varias veces para lograr precisión. Koenig y Lehmann describen el proceso con más detalle:
"La similitud de la configuración espacial de EEG de cada mapa prototipo con cada uno de los 10 mapas se calcula utilizando el coeficiente de determinación para omitir las polaridades de los mapas... Por separado, para cada clase, los mapas prototipo se actualizan combinando todos los mapas asignados calculando el primer componente principal espacial [7] de los mapas y maximizando así la varianza común mientras se ignora la polaridad del mapa". Este proceso se repite varias veces utilizando diferentes mapas prototipo seleccionados aleatoriamente de entre los datos recopilados para utilizarlos en la comparación estadística y la determinación de la varianza. [7]
La mayoría de los estudios [1] [9] [10] [11] [12] [13] [14] revelan las mismas 4 clases de topografía de microestados:
Sin embargo, muchos estudios también han encontrado otros mapas de plantillas de microestados de EEG que probablemente sean significativos. [15] convergieron en 16 mapas para explicar una alta proporción de la varianza observada. [16] encontraron 13 mapas utilizando un enfoque ICA. El número de microestados "encontrados" y utilizados es en parte una función del estado cognitivo de la persona, pero también en parte del método utilizado para agrupar y asignar microestados. Aunque históricamente los microestados siempre se han asignado de manera determinista, trabajos recientes también han sugerido que existen problemas computacionales, analíticos y conceptuales que pueden abordarse mediante un análisis probabilístico de microestados. [8]
La hipótesis actual es que los microestados EEG representan los pasos básicos de la cognición y el procesamiento de la información neuronal en el cerebro, pero todavía queda mucha investigación por hacer para consolidar esta teoría.
Koenig, Lehmann et al. 2002 [17]
Este estudio investigó la variación de los microestados del EEG en humanos normales de distintas edades. Mostró una "evolución legal y compleja con la edad" [17] con picos en la duración media de los microestados alrededor de los 12, 16, 18 y 40-60 años, lo que sugiere que hay una evolución cerebral significativa que ocurre a esas edades. [17] En cuanto a la causa de esto, plantearon la hipótesis de que se debía al crecimiento y la reestructuración de las vías neuronales,
Van De Ville, Britz y Michel, 2010 [3]
En un estudio realizado por investigadores en Ginebra, se analizaron la dinámica temporal y las posibles propiedades fractales de los microestados del EEG en sujetos humanos normales. Dado que los microestados son una topografía global, pero ocurren en escalas de tiempo tan pequeñas y cambian tan rápidamente, Van De Ville, Britz y Michel plantearon la hipótesis de que estos "átomos de pensamientos" son como fractales en la dimensión temporal. Es decir, ya sea a escala mayor o menor, un EEG es en sí mismo una composición de microestados. Esta hipótesis fue inicialmente iluminada por la fuerte correlación entre la rápida escala de tiempo y la transitoriedad de los microestados del EEG y las señales mucho más lentas de una fMRI en estado de reposo .
Esta dinámica invariante a escala es la característica más fuerte de un fractal y, dado que los microestados son indicativos de redes neuronales globales, es justificable concluir que estos microestados exhiben un comportamiento monofractal temporal (fractal unidimensional). A partir de aquí, podemos ver la posibilidad de que la fMRI, que también es una medida de topografía global, sea posiblemente solo una manifestación a mayor escala de sus microestados y, por lo tanto, respalde aún más la hipótesis de que los microestados del EEG son la unidad fundamental del procesamiento cognitivo global de una persona.
La comparación de las clases de microestados del EEG entre los controles y los pacientes con psicosis ha arrojado resultados importantes que sugieren que el estado de reposo básico de los pacientes con psicosis es irregular. Esto implica que antes de que se procese o cree cualquier información, está ligada a la dinámica de la secuencia irregular de microestados. [1] [9] [10] [11] [12] [13] [14] Aunque el análisis de microestados tiene un gran potencial para ayudar a comprender los mecanismos básicos de algunas enfermedades neurológicas, todavía hay mucho trabajo y comprensión que desarrollar antes de que pueda ser un diagnóstico ampliamente aceptado. [2]
Numerosos estudios han investigado la dinámica temporal de los microestados del EEG en personas con esquizofrenia . [1] [18] [19] [20] [21] En el primer estudio que comparó la dinámica temporal de los microestados del EEG en personas con esquizofrenia contra controles sanos, Koenig y Lehmann informaron que las personas con esquizofrenia tienden a pasar demasiado tiempo en el microestado de clase A en comparación con los controles. [1] Sin embargo, otros estudios en la investigación de la esquizofrenia han sugerido un panorama diferente. Un metanálisis que comprende estudios de 1999 a 2015 reveló que el microestado de clase C ocurrió con mayor frecuencia y durante más tiempo en las personas con esquizofrenia que en los controles, mientras que el microestado de clase D ocurrió con menor frecuencia y durante menos tiempo. [22] Estos resultados también fueron confirmados por un metanálisis posterior. [21] Se informaron anomalías similares en un estudio con adolescentes con síndrome de deleción 22q11.2 , una población que tiene un riesgo del 30% de desarrollar psicosis. [18] También se encontraron anomalías de clases C y D en hermanos no afectados de aquellos con esquizofrenia, [21] lo que llevó a los autores a sugerir que la dinámica de los microestados C y D son un endofenotipo candidato para la esquizofrenia.
En julio de 2011, el Dr. Koenig colaboró con investigadores de la Universidad de Kanazawa en Japón y otros de la Universidad de Berna en Suiza para realizar un análisis de microestados en personas con trastorno de pánico (TP). Descubrieron que estas personas pasaban demasiado tiempo en el mismo microestado de derecha anterior a izquierda posterior que en los estudios sobre esquizofrenia. [9] Esto sugiere un mal funcionamiento del lóbulo temporal, que se ha informado en estudios de fMRI de personas con TP; pasaron un promedio de 9,26 milisegundos más en este microestado que los sujetos de control. Estas secuencias de microestados aberrantes son muy similares a las del estudio sobre esquizofrenia y, como la ansiedad es común en la esquizofrenia, puede indicar una fuerte correlación entre diferentes severidades de patologías neurológicas y la secuencia de microestados de una persona.
En 1999, Cantero, Atienza, Salas y Gómez estudiaron los ritmos alfa en sujetos humanos normales en tres estados: ojos cerrados/relajados, somnolencia al inicio del sueño y sueño REM . Encontraron que las clases de microestados medias determinadas eran diferentes entre los estados de conciencia en tres parámetros diferentes. [23]
Este estudio arroja luz sobre la complejidad de la actividad cerebral y la dinámica del EEG. Los datos sugieren que "la actividad (de ondas) alfa podría estar indexando información cerebral diferente en cada estado de vigilia". [23] Además, sugieren que el ritmo alfa podría ser la "frecuencia de resonancia natural de la corteza visual durante el estado de vigilia, mientras que la actividad alfa que aparece en el período de somnolencia al inicio del sueño podría estar indexando la imaginería hipnagógica autogenerada por el cerebro dormido, y un evento fásico en el caso del sueño REM". [23] Otra afirmación es que períodos más largos de actividad cerebral estable pueden estar manejando cantidades más pequeñas de procesamiento de información y, por lo tanto, pocos cambios en los microestados, mientras que una actividad cerebral más corta y menos estable puede reflejar grandes cantidades de información diferente para procesar y, por lo tanto, más cambios en los microestados.