La corteza cerebral vibra con una actividad eléctrica rítmica, medible en el cuero cabelludo mediante un electroencefalograma (EEG). Entre estas oscilaciones, las ondas gamma destacan como las de disparo más rápido, a una frecuencia de aproximadamente 30 a 100 ciclos por segundo. Los ritmos gamma reflejan una sincronización transitoria y cronometrada con precisión entre miles de neuronas a través de redes distribuidas, lo que proporciona un mecanismo que el cerebro utiliza para integrar los detalles sensoriales en percepciones unificadas y para retener la información en la mente.
Un amplio conjunto de investigaciones vincula la actividad gamma sincronizada con funciones cognitivas como la atención, la memoria y el procesamiento consciente. Este artículo explora los generadores fisiológicos de las oscilaciones gamma, cómo interpretar la potencia gamma en un espectro de EEG y por qué las alteraciones en la sincronía de la banda gamma son cada vez más relevantes para comprender los trastornos neurológicos y psiquiátricos.
¿Qué son las ondas gamma?
Las ondas gamma son patrones rítmicos de la actividad neuronal que se producen a frecuencias relativamente altas. Reflejan la sincronización de la actividad eléctrica en grupos de neuronas, más que un solo pensamiento, emoción o estado mental.
Los investigadores las estudian en relación con la percepción, la atención, la memoria y la comunicación entre regiones cerebrales. El término es útil, pero no debe tratarse como una simple etiqueta de inteligencia máxima o de estado de conciencia.
Características de las ondas gamma
La actividad gamma suele describirse mediante oscilaciones rápidas, pero su amplitud, sincronización y localización importan tanto como su frecuencia nominal. Una breve ráfaga durante una tarea perceptiva puede tener un significado diferente al de una actividad de alta frecuencia sostenida registrada durante la vigilia. Por tanto, los investigadores consideran si la potencia gamma cambia, si la actividad se sincroniza entre regiones y si el patrón está acoplado en el tiempo a un evento.
La señal también puede ser vulnerable a la contaminación por actividad muscular, movimiento y ruido eléctrico. Esto es especialmente relevante en los registros del cuero cabelludo, donde parte de la actividad de alta frecuencia puede reflejar fuentes no neuronales.
Cómo se mide la actividad cerebral de las ondas gamma
La actividad gamma se puede medir con varios métodos, cada uno de los cuales ofrece un equilibrio diferente de sincronización, información espacial y susceptibilidad a los artefactos.
El registro de EEG en el cuero cabelludo registra los cambios de voltaje asociados con la actividad neuronal sincronizada y ofrece una resolución temporal a nivel de milisegundos. La magnetoencefalografía, o MEG, registra los campos magnéticos generados por las corrientes neuronales y proporciona otra visión no invasiva de la actividad oscilatoria.
El análisis suele comenzar con el preprocesamiento, que incluye la eliminación o el marcado de movimientos, ojos, músculos y artefactos eléctricos. A continuación, los investigadores pueden calcular la potencia espectral, la sincronización de fase, los cambios relacionados con eventos o las representaciones de tiempo-frecuencia. La elección del método puede afectar sustancialmente a la detección de una ráfaga breve, un ritmo sostenido o una relación entre regiones.
La interpretación también depende de la colocación de los electrodos, la elección de la referencia, el tamaño de la muestra, los controles estadísticos y la tarea realizada durante el registro. Las señales de alta frecuencia en el cuero cabelludo pueden ser especialmente sensibles a la actividad muscular facial y del cuero cabelludo.
Por lo tanto, una conclusión creíble combina las comprobaciones de la calidad de la señal con datos conductuales o clínicos, en lugar de tratar un gráfico colorido como un diagnóstico.
Dónde se originan las ondas gamma en el cerebro
Las oscilaciones gamma surgen del comportamiento coordinado de circuitos locales dentro de la corteza cerebral, moldeados tanto por las neuronas como por una clase de células de soporte que antes se pensaba que no tenían un papel de señalización rápida.
Los registros tomados de todas las capas de la corteza visual primaria (V1) en monos sugieren una organización laminar. Se informó que las ondas gamma se inician en la capa de entrada 4 y luego se propagan hacia arriba a las capas superficiales y hacia abajo a las capas profundas de la corteza. Este patrón es paralelo al flujo de información sensorial desde el tálamo hacia regiones corticales de orden superior, lo que marca a la señal gamma específicamente como una señal de alimentación hacia adelante (feedforward), la forma en que el cerebro empuja rápidamente nuevos detalles hacia adelante para un análisis posterior.
Este origen laminar nos indica que la señal gamma es un fenómeno de circuito local que puede irradiarse a través de las capas de una columna cortical. Sin embargo, la generación de estos ritmos rápidos depende de un participante sorprendente.
En preparaciones de cortes de hipocampo, el bloqueo selectivo de la liberación de moléculas de señalización de los astrocitos (células gliales en forma de estrella que rodean las sinapsis) acorta significativamente la duración de las oscilaciones gamma inducidas químicamente. Sobre la base de esto, un modelo de ratón transgénico con disfunción inducible de astrocitos mostró una marcada reducción en la potencia gamma del EEG en el cerebro despierto y activo, a pesar de que la transmisión sináptica tradicional de neurona a neurona permaneció intacta.
Los astrocitos, al parecer, son contribuyentes esenciales a la dinámica de red rápida que sostiene la señal gamma.
Cómo coordinan las ondas gamma la sincronía neuronal
La propagación de alimentación hacia adelante (feedforward) de las ondas gamma no se limita a una sola región. Los registros simultáneos antes mencionados de V1 y un área visual superior, V4, sugieren que las ondas gamma viajan en la dirección feedforward: cuando un estímulo visual incide por primera vez en la corteza, la sincronía gamma en V1 precede y dirige la gamma en V4.
La causalidad se estableció mediante microestimulación de V1 y la observación de que provoca directamente oscilaciones gamma en la V4 descendente. Este impulso direccional convierte a la señal gamma en una candidata para la transmisión rápida de detalles sensoriales desde las etapas de procesamiento más bajas a las más altas.
Pero las oscilaciones gamma no funcionan de forma aislada. El procesamiento cortical involucra simultáneamente múltiples bandas de frecuencia, lo que plantea la cuestión de cómo se integran corrientes espectralmente separadas.
En un estudio de magnetoencefalografía de adultos sanos que realizaban aritmética mental continua, los investigadores encontraron una sólida sincronía de fase de frecuencia cruzada entre las oscilaciones alpha (~10 Hz), beta (~20 Hz) y gamma (~30-40 Hz). Estas tareas, que requerían retener y sumar números en la memoria de trabajo, mejoraron no solo la sincronía clásica dentro de la banda, sino particularmente el acoplamiento de fase entre las bandas gamma y alpha.
Crucialmente, cuando la tarea se volvió más exigente (al aumentar el número de elementos retenidos), el aumento más prominente en la sincronía apareció precisamente entre gamma y alpha. Este hallazgo indica que la señal gamma actúa como un nodo clave en una red que une ritmos más lentos y espacialmente más extendidos en un momento coherente de cognición.
La coordinación de frecuencia cruzada ofrece un mecanismo plausible de cómo el cerebro integra el procesamiento de características locales rápidas (gamma) con una actividad de establecimiento de contexto más amplia (alpha).
El papel de las oscilaciones gamma en la memoria de trabajo y de reconocimiento
Vincular la sincronía gamma con sistemas de memoria específicos define mejor la imagen funcional. La tarea de aritmética mental descrita anteriormente demostró que la sincronía de la banda gamma, especialmente cuando está acoplada en fase con alpha, se fortalecía a medida que aumentaba la carga de la memoria de trabajo. La sincronización entre las frecuencias gamma y alpha rastreó la demanda cognitiva de mantener y manipular la información durante segundos.
La evidencia de un dominio de memoria diferente, la memoria de reconocimiento, apoya aún más una relación causal entre la potencia gamma y el comportamiento, y aquí la conexión de los astrocitos se vuelve decisiva. Los mismos ratones transgénicos que mostraron una reducción de la potencia gamma cortical debido a la expresión de la toxina tetánica astrocítica también tuvieron un rendimiento deficiente en una prueba de reconocimiento de objetos nuevos, un ensayo estándar para evaluar la capacidad de distinguir elementos familiares de los nuevos.
Notablemente, otras capacidades de memoria (la memoria de trabajo en un laberinto y el condicionamiento del miedo) no cambiaron. El déficit fue específico de la memoria de reconocimiento, y cuando se suprimió la expresión de la toxina, se recuperaron tanto la potencia gamma como el rendimiento del reconocimiento de objetos nuevos. Estas observaciones interconectadas apuntan a un papel potencial de las oscilaciones gamma en los circuitos que subyacen a la detección de familiaridad.
De manera más general, una revisión de la sincronía oscilatoria en las redes corticales cataloga la actividad de la banda gamma entre los ritmos asociados con la agrupación perceptiva, la selección de estímulos dependiente de la atención, la integración de subsistemas, la memoria de trabajo y la conciencia. Cuando se requiere la coordinación entre poblaciones neuronales distantes, la sincronía gamma parece aparecer de manera constante.
Su presencia en tareas que van desde la integración visual hasta la adición mental subraya que la señal gamma no está dedicada a un solo dominio cognitivo; más bien, es una herramienta temporal flexible que el cerebro despliega siempre que se necesita una integración rápida de la información.
Las anomalías gamma como una ventana a los trastornos cerebrales
Dado que la sincronía gamma respalda las operaciones cognitivas centrales, las alteraciones en la banda gamma pueden indicar una patología subyacente.
La esquizofrenia proporciona uno de los ejemplos más estudiados. Un estudio de EEG relacionado con eventos comparó a 22 controles sanos y 21 pacientes medicados durante una tarea auditiva simple de tipo oddball. Utilizando el análisis de tiempo-frecuencia, los investigadores midieron el acoplamiento de fase de la banda gamma (36–50 Hz), es decir, la consistencia con la que las respuestas neuronales se alinean en el tiempo a lo largo de los ensayos, dentro de los primeros 100 milisegundos después de un tono estándar.
Los sujetos sanos exhibieron un acoplamiento de fase prominente en los electrodos frontales entre los 20 y los 60 milisegundos. En el grupo de esquizofrenia, esta sincronía gamma evocada tempranamente se redujo significativamente (P = .03), lo que indica que la sincronización inicial del cerebro a un estímulo auditivo parece ser deficiente en este trastorno cerebral.
Este hallazgo se alinea con un conjunto más amplio de trabajos que sugieren que la esquizofrenia implica oscilaciones neuronales y sincronía anormales, particularmente en la banda gamma, y que estas anomalías se relacionan con disfunciones cognitivas y síntomas. La reducción del acoplamiento de fase gamma puede representar un mecanismo fisiopatológico que contribuye a la fragmentación del pensamiento y la percepción que caracteriza a la enfermedad.
Si bien el estudio subraya el potencial de la sincronía gamma como un biomarcador, también advierte que las elecciones metodológicas, incluidos los parámetros específicos de descomposición de tiempo-frecuencia, pueden influir en gran medida en los resultados, y los estudios previos no siempre han detectado el mismo déficit. El consenso emergente, sin embargo, sitúa a la sincronía de la banda gamma entre las pistas electrofisiológicas más prometedoras para comprender y, eventualmente, estratificar las condiciones neuropsiquiátricas.
Por qué las ondas gamma son fundamentales para la coordinación y la salud del cerebro
Las ondas gamma son los ritmos más rápidos del cerebro, y actúan como una señal de sincronización que une piezas separadas de información en una experiencia mental coordinada. Aquí mostramos que estos ritmos dependen tanto de las neuronas como de las células de soporte especializadas, y que avanzan a través de la corteza como una forma de transmitir detalles sensoriales recién llegados para su procesamiento posterior. Sin embargo, la señal gamma no funciona sola; se acopla con ritmos más lentos como alpha cuando las tareas exigen más memoria de trabajo, lo que revela que la cognición flexible se basa en una coordinación precisa de frecuencia cruzada.
Las distorsiones en esta sincronización pueden indicar una enfermedad. Cuando se inhabilitó la función de las células de soporte en los experimentos, la potencia gamma disminuyó y la memoria de reconocimiento se vio afectada, mientras que las personas con esquizofrenia mostraron respuestas gamma tempranas debilitadas a sonidos simples.
Estos hallazgos respaldan la sincronía gamma como un marcador potencial de qué tan bien el cerebro integra la información, no como una causa demostrada de ninguna condición. Medir los ritmos gamma en los individuos podría eventualmente ayudar a los médicos a detectar y monitorear trastornos en los que la señalización más rápida del cerebro pierde el ritmo.
Referencias
Van Kerkoerle, T., Self, M. W., Dagnino, B., Gariel-Mathis, M. A., Poort, J., Van Der Togt, C., & Roelfsema, P. R. (2014). Alpha and gamma oscillations characterize feedback and feedforward processing in monkey visual cortex. Proceedings of the national academy of sciences, 111(40), 14332-14341. https://doi.org/10.1073/pnas.1402773111
Lee, H. S., Ghetti, A., Pinto-Duarte, A., Wang, X., Dziewczapolski, G., Galimi, F., Huitron-Resendiz, S., Piña-Crespo, J. C., Roberts, A. J., Verma, I. M., Sejnowski, T. J., & Heinemann, S. F. (2014). Astrocytes contribute to gamma oscillations and recognition memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 111(32), E3343–E3352. https://doi.org/10.1073/pnas.1410893111
Palva, J. M., Palva, S., & Kaila, K. (2005). Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. The Journal of Neuroscience, 25(15), 3962-3972. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4250-04.2005
Uhlhaas, P. J., Haenschel, C., Nikolić, D., & Singer, W. (2008). The role of oscillations and synchrony in cortical networks and their putative relevance for the pathophysiology of schizophrenia. Schizophrenia bulletin, 34(5), 927-943. https://doi.org/10.1093/schbul/sbn062
Roach, B. J., & Mathalon, D. H. (2008). Event-related EEG time-frequency analysis: an overview of measures and an analysis of early gamma band phase locking in schizophrenia. Schizophrenia bulletin, 34(5), 907-926. https://doi.org/10.1093/schbul/sbn093
Preguntas frecuentes
¿Qué son las ondas gamma y por qué son importantes para la función cerebral?
Las ondas gamma son las actividades eléctricas rítmicas más rápidas del cerebro, medibles mediante EEG. Permiten una sincronización rápida de las neuronas a través de las redes, lo que ayuda a vincular los detalles sensoriales en percepciones unificadas y respalda funciones cognitivas como la atención, la memoria y el procesamiento consciente.
¿Dónde se originan las ondas gamma en el cerebro y cómo viajan?
Las ondas gamma se originan en la capa de entrada (capa 4) de la corteza cerebral y luego se propagan a las capas superficiales y profundas. Este patrón es paralelo al flujo de información sensorial, lo que marca a la señal gamma como una señal de alimentación hacia adelante (feedforward) que empuja rápidamente nuevos detalles hacia adelante para un análisis de orden superior.
¿Qué papel juegan los astrocitos en la generación de ondas gamma?
Los astrocitos, células gliales en forma de estrella que rodean las sinapsis, son contribuyentes esenciales a las oscilaciones gamma. Bloquear su señalización acorta las oscilaciones gamma, y provocar su disfunción reduce la potencia gamma en el cerebro, incluso cuando la transmisión tradicional de neurona a neurona permanece intacta.
¿Cómo se coordinan las ondas gamma con otros ritmos cerebrales?
Las oscilaciones gamma se integran con ritmos más lentos como alpha y beta a través de la sincronía de fase de frecuencia cruzada. Esta coordinación permite que el procesamiento de características locales rápidas en gamma se vincule con una actividad de establecimiento de contexto más amplia en ritmos más lentos durante tareas como la aritmética mental.
¿Cómo se vincula la actividad gamma con la memoria de trabajo?
La sincronía de la banda gamma se fortalece a medida que aumenta la carga de la memoria de trabajo, especialmente cuando está acoplada en fase a las oscilaciones alpha. Esta sincronización rastrea la demanda cognitiva necesaria para retener y manipular información durante períodos cortos.
¿Cuál es la conexión entre la potencia gamma y la memoria de reconocimiento?
La potencia gamma parece necesaria para la memoria de reconocimiento, ya que reducirla a través de la disfunción de los astrocitos deteriora selectivamente el reconocimiento de objetos nuevos. Cuando se restaura la potencia gamma, se recupera la capacidad de memoria de reconocimiento, mientras que otros tipos de memoria no se ven afectados.
¿Por qué es significativa la dirección de alimentación hacia adelante (feedforward) de las ondas gamma?
La propagación feedforward desde la corteza visual primaria (V1) al área visual superior (V4) confirma que la señal gamma actúa como un mecanismo de transmisión rápida. Este impulso direccional respalda la transferencia rápida de detalles sensoriales desde las etapas de procesamiento más bajas a las más altas, lo que permite una percepción coherente.
Emotiv es un líder en neurotecnología que ayuda a avanzar la investigación en neurociencia mediante herramientas accesibles de EEG y datos cerebrales.
Descargo de responsabilidad médica: La información proporcionada en este sitio web es solo para fines educativos e informativos y no pretende ser un consejo médico o de salud. Este contenido puede contener errores y no debe ser utilizado para tomar decisiones de salud, médicas o de estilo de vida que alteren la vida. Busque siempre el consejo de su médico u otro proveedor de salud calificado para cualquier pregunta que pueda tener con respecto a una afección o tratamiento médico.
Christian Burgos
