La neurofísica (o neurobiofísica ) es la rama de la biofísica que se ocupa del desarrollo y uso de métodos físicos para obtener información sobre el sistema nervioso . La neurofísica es una ciencia interdisciplinaria que utiliza la física y la combina con otras neurociencias para comprender mejor los procesos neuronales. Los métodos utilizados incluyen las técnicas de la biofísica experimental y otras mediciones físicas como el EEG [1] principalmente para estudiar propiedades eléctricas , mecánicas o fluídicas , así como enfoques teóricos y computacionales . [2] El término "neurofísica" es un acrónimo de " neurona " y " física ".
Entre otros ejemplos, la teorización de potenciales de acción ectópicos en neuronas utilizando una expansión de Kramers-Moyal [3] y la descripción de fenómenos físicos medidos durante un EEG utilizando una aproximación dipolar [1] utilizan la neurofísica para comprender mejor la actividad neuronal.
Otro enfoque teórico bastante distinto considera que las neuronas tienen energías de interacción del modelo de Ising y explora las consecuencias físicas de esto para varias topologías de árboles de Cayley y grandes redes neuronales . En 1981, Peter Barth derivó la solución exacta para el árbol de Cayley cerrado (con bucles) para una relación de ramificación arbitraria [4] y se encontró que exhibía un comportamiento de transición de fase inusual [5] en sus correlaciones de vértice local y sitio-sitio de largo alcance, lo que sugiere que la aparición de fenómenos cooperativos determinados estructuralmente e influenciados por la conectividad puede desempeñar un papel significativo en las grandes redes neuronales.
Las antiguas técnicas para registrar la actividad cerebral mediante fenómenos físicos ya están muy extendidas en la investigación y la medicina . La electroencefalografía (EEG) utiliza la electrofisiología para medir la actividad eléctrica dentro del cerebro. Esta técnica, con la que Hans Berger registró por primera vez la actividad eléctrica cerebral en un ser humano en 1924, [6] es no invasiva y utiliza electrodos colocados en el cuero cabelludo del paciente para registrar la actividad cerebral. Basada en el mismo principio, la electrocorticografía (ECoG) requiere una craneotomía para registrar la actividad eléctrica directamente en la corteza cerebral .
En las últimas décadas, los físicos han ideado tecnologías y dispositivos para obtener imágenes del cerebro y su actividad. La técnica de imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI), descubierta por Seiji Ogawa en 1990, [7] revela cambios en el flujo sanguíneo dentro del cerebro. Basada en la técnica de imágenes médicas existente, la resonancia magnética (MRI), y en el vínculo entre la actividad neuronal y el flujo sanguíneo cerebral, esta herramienta permite a los científicos estudiar las actividades cerebrales cuando son desencadenadas por una estimulación controlada. Otra técnica, la microscopía de dos fotones (2P), inventada por Winfried Denk (por la que fue galardonado con el Premio Brain en 2015 [8] ), John H. Strickler y Watt W. Webb en 1990 en la Universidad de Cornell , [9] utiliza proteínas fluorescentes y tintes para obtener imágenes de las células cerebrales . Esta técnica combina la absorción de dos fotones, teorizada por primera vez por Maria Goeppert-Mayer en 1931, con láseres. Hoy en día, esta técnica se utiliza ampliamente en investigación y a menudo se combina con la ingeniería genética para estudiar el comportamiento de un tipo específico de neurona .
La conciencia es un mecanismo aún desconocido y los teóricos aún no han llegado a hipótesis físicas que expliquen sus mecanismos. Algunas teorías se basan en la idea de que la conciencia podría explicarse por las perturbaciones en el campo electromagnético cerebral generadas por los potenciales de acción desencadenados durante la actividad cerebral. [10] Estas teorías se denominan teorías electromagnéticas de la conciencia . Otro grupo de hipótesis sugiere que la conciencia no puede explicarse mediante la dinámica clásica sino con la mecánica cuántica y sus fenómenos. Estas hipótesis se agrupan en la idea de mente cuántica y fueron introducidas por primera vez por Eugene Wigner .
Entre la lista de premios que recompensan a los neurofísicos por su contribución a la neurología y campos relacionados, el más notable es el Premio Cerebro , cuyos últimos galardonados son Adrian Bird y Huda Zoghbi por "su trabajo innovador para mapear y comprender la regulación epigenética del cerebro y por identificar el gen que causa el síndrome de Rett". [11] Los otros premios más relevantes que se pueden otorgar a un neurofísico son: el Premio NAS en Neurociencias , el Premio Kavli y en cierta medida el Premio Nobel de Fisiología o Medicina . Se puede señalar que se otorgó un Premio Nobel a científicos que desarrollaron técnicas que contribuyeron ampliamente a una mejor comprensión del sistema nervioso, como Neher y Sakmann en 1991 por el patch clamp , y también a Lauterbur y Mansfield por su trabajo en imágenes por resonancia magnética (MRI) en 2003.