Neurociencias / Física

El cerebro es una máquina perfecta que depende de un delicado equilibrio

La complejidad del cerebro humano se sustenta en una exacta armonía al borde del caos

La imagen muestra la reconstrucción en 3D de neuronas seleccionadas, en una pequeña región de la corteza cerebral humana.

La imagen muestra la reconstrucción en 3D de neuronas seleccionadas, en una pequeña región de la corteza cerebral humana. / Crédito: Harvard/Google.

Pablo Javier Piacente

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Las características estructurales del cerebro se encuentran en las proximidades de un "punto crítico" o de alta complejidad: mantiene una organización perfecta para sus necesidades pero que, al mismo tiempo, se encuentra próxima al caos. Según un nuevo estudio, esto puede apreciarse en cerebros de humanos, ratones y moscas de la fruta, lo que sugiere que el hallazgo podría ser universal.

Investigadores de la Universidad Northwestern, en Estados Unidos, han descubierto que las condiciones que mantienen la estructura de nuestro cerebro y su funcionamiento se encuentran en una situación que los físicos llaman "criticidad": se trata de un punto de alta complejidad que se alcanza cuando un objeto físico pasa sin problemas de una fase a la siguiente. Esto indicaría que el cerebro llega a su mayor capacidad en una armonía muy cercana al caos, manteniendo un fino equilibrio entre ambos extremos.

De acuerdo a la nueva investigación, publicada recientemente en la revista Communications Physics, los científicos no pueden determinar exactamente entre qué fases está pasando la estructura del cerebro, pero esta nueva información sobre la forma en que se organiza podría permitir el diseño de nuevos modelos sobre la complejidad del cerebro, con aplicaciones en el campo de las neurociencias y la Inteligencia Artificial (IA).

Punto de equilibrio

La “criticidad” puede ejemplificarse a través del funcionamiento de un imán: cuando se calienta, llega a un punto crítico en el que pierde magnetización. Este estado de alta complejidad indica que puede pasar a una nueva fase sin inconvenientes. Los investigadores revelaron en su estudio que tanto el cerebro humano como el de los ratones o el de las moscas de la fruta trabajan en ese punto crítico de equilibrio entre dos posibilidades: la armonía o el caos.

“La estructura del cerebro a nivel celular parece estar cerca de una transición de fase. Un ejemplo cotidiano de esto es cuando el hielo se derrite y se convierte en agua. Siguen siendo moléculas de agua, pero están experimentando una transición de sólido a líquido. No tenemos forma de saber entre qué dos fases podría estar pasando el cerebro, pero es evidente que mantiene un delicado equilibrio entre ambas posibilidades para poder seguir funcionando”, indicó en una nota de prensa Helen Ansell, una de las autoras de la investigación.

En el mismo sentido, el segundo autor del trabajo científico, el investigador István Kovács, expresó también en el comunicado que “el cerebro humano es uno de los sistemas más complejos conocidos y muchas propiedades de los detalles que gobiernan su estructura aún no se comprenden. Aunque previamente se ha estudiado la criticidad del cerebro en términos de dinámica neuronal, en esta ocasión la analizamos a nivel estructural para comprender cómo este punto crítico sustenta la complejidad de la dinámica cerebral”.

Ni demasiado organizado ni caótico

“Se observa que a diferencia de un ordenador, donde cualquier software puede ejecutarse en el mismo hardware, en el cerebro la dinámica y el hardware están fuertemente relacionados”, concluyó Kovács. En consecuencia, los científicos sostienen que la presencia de fractales a escala nanométrica en reconstrucciones cerebrales en 3D es una señal de esta "criticidad" o punto de equilibrio mencionado previamente.

Según un artículo publicado en Science Alert, el análisis de una única región parcial del cerebro de un humano, un ratón y una mosca de la fruta permitió a los investigadores descubrir patrones fractales coincidentes, que parecían similares independientemente de si ampliaban o alejaban la imagen.

El tamaño relativo de varios segmentos de neuronas y su diversidad parecen mantenerse en todas las escalas y especies. Ni extremadamente organizados ni demasiado aleatorios, los sistemas del cerebro mantienen un correcto equilibrio, que permite la conexión neuronal a múltiples distancias dentro de la estructura.

Referencia

Unveiling universal aspects of the cellular anatomy of the brain. Helen S. Ansell and István A. Kovács. Communications Physics (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-024-01665-y