La teoría prevalente sobre las causas del Alzheimer indica que están relacionadas con la acumulación anómala de dos proteínas, beta-amilode (Aβ) y tau, en los tejidos neuronales, pero aún existen muchas incógnitas sobre los procesos que desencadenan esta enfermedad neurodegenerativa. Hasta ahora, la mayoría de estudios científicos han analizado el efecto de una de estas proteínas, la beta-amilode, sobre la dinámica neuronal, pero sin llegar a profundizar en su compleja interacción con tau en los pacientes con Alzheimer.

En este sentido, una reciente investigación neurocientífica, con la participación del Center for Brain and Cognition (CBC) de la UPF, aporta novedades relevantes sobre la dinámica e interacción compleja de estas dos proteínas en el cerebro de las personas con Alzheimer. Sus resultados abren el camino para que futuras investigaciones puedan diseñar nuevos biomarcadores, que permitan mejorar sus procesos de diagnóstico y terapias para su tratamiento.

Los resultados de esta investigación se exponen en un artículo publicado recientemente en la revista Alzheimer´s Research & Therapy. El autor principal del artículo, Gustavo Patow, está vinculado a los grupos de investigación Visualización, Realidad Virtual e Interacción Gráfica (ViRVIG) de la Universidad de Girona y Neurociencia Computacional, del CBC del Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (DTIC) de la UPF. También es coautor del artículo el director del grupo de Neurociencia Computacional del CBC, Gustavo Deco (ICREA). El resto de coautores del artículo, Leon Stefanovski, Petra Ritter y Xenia Koveleva están vinculados a diversas universidades y centros médicos y de investigación de Alemania.

Gustavo Patow (ViRVIG-UdG y CBC-UPF) asegura: "El Alzheimer es una enfermedad neurodegenerativa que progresivamente va degradando el cerebro hasta destruir su normal funcionamiento. Los métodos de la neurociencia computacional, en particular los modelos basados en simulación, permiten estudiar la evolución de esta enfermedad con formas que no se pueden aplicar a pacientes reales". El investigador aclara que estas simulaciones in-silico permiten formular y testear hipótesis y que proveen de información y, a veces, de nuevos conocimientos sobre la enfermedad: "Hemos podido determinar la importancia relativa de las dos proteínas, que se cree que son la causa del Alzheimer, a lo largo de la evolución de la enfermedad, permitiendo al mismo tiempo generar información valiosa que nos permita ayudar en su diagnóstico, ya que el estudio nos provee de información precisa acerca del estado del paciente a partir de sus escáneres funcionales, los llamados `biomarcadores´".

Gustavo Deco (CBC-UPF e ICREA) añade: "Las  herramientas matemáticas y computacionales, profundamente arraigadas en el conocimiento médico y biológico que tenemos de la enfermedad, abren nuevas puertas para el estudio de la evolución de la misma y, sobre todo, para el análisis de posibles estrategias para combatir sus efectos y, con suerte, frenar su avance. Nuestro grupo está trabajando intensamente en este tipo de modelos predictivos que nos permitan acercarnos a ese ideal, con el objetivo último de combatir esta terrible enfermedad. Los resultados de este trabajo representan un prometedor primer paso en esta dirección."

El estudio revela cómo las proteínas relacionadas con la enfermedad alteran el equilibrio de excitación/inhibición neuronal de los pacientes con Alzheimer con avanzadas herramientas matemáticas y computacionales.

En este estudio, se han utilizado técnicas de modelado de todo el cerebro, que permiten comprender los mecanismos subyacentes a la dinámica global de las diferentes regiones del cerebro en sus diferentes estados (en reposo, realizando tareas cognitivas…), tanto en personas sanas como con la enfermedad, a partir de herramientas y operaciones matemáticas.  A partir de estas técnicas, se ha estudiado el impacto de la concentración de ambas proteínas (beta-amiloide y tau) sobre las dinámica de comportamiento de distintas regiones cerebrales de las personas con Alzheimer. Se ha podido discernir el impacto de cada proteína de forma aislada y en combinación con la otra y evaluar el peso relativo de cada una de ellas en las anomalías del funcionamiento de la actividad cerebral de las personas con la enfermedad.

El estudio ha concluido que, en las primeras etapas de la enfermedad del Alzheimer, el mayor impacto de la enfermedad se produce por una mayor acumulación de la proteína beta-amiloide. En cambio, en su fase más avanzada, dicho impacto se puede atribuir a una mayor concentración de la proteína tau. Ambas proteínas producen una alteración del equilibrio entre el estado de excitación e inhibición de las neuronas, lo que contribuye al deterioro cognitivo de las personas con la enfermedad.

En investigaciones previas sobre la enfermedad, ya se había detectado que las personas con Alzheimer sufren una alteración de los niveles de equilibrio de la excitación e inhibición neuronal. Especialmente en las primeras etapas de la enfermedad, se produce una hiperexcitabilidad neuronal que afecta la actividad del córtex cerebral, lo que acentúa el deterioro cognitivo. Hasta el momento, se había demostrado este desequilibrio en estudios con animales y con muestras cerebrales de humanos post-mortem, pero faltaban evidencias de ello en personas humanas vivas con la enfermedad. La principal dificultad para lograrlo es que la actividad de excitación e inhibición neuronal no se puede medir directamente con técnicas de neuroimagen. Sin embargo, las técnicas de modelado de todo el cerebro utilizadas en esta investigación sí que han logrado medir el impacto de las dos proteínas sobre el desequilibrio de la excitación/inhibición neuronal, a partir de herramientas de simulación matemática y computacional.

Este estudio ha utilizado datos empíricos obtenidos de la base de datos Alzheimer´s Disease Neuroimaging Initiative, que parte de un estudio longitudinal realizado en diferentes lugares del mundo diseñado para desarrollar biomarcadores de la enfermedad de Alzheimer. Los datos corresponden a personas con la enfermedad de entre 55 y 90 años de edad.