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LA EXTRAÑA SIMILITUD DE LAS REDES NEURONAL Y GALÁCTICA

Por Franco Vazza y Alberto Feletti

Los recuerdos de su vida podrían, en principio, almacenarse en la estructura del universo.

Christof Koch, un destacado investigador sobre la conciencia y el cerebro humano, ha llamado al cerebro “el objeto más complejo del universo conocido”. No es difícil ver por qué esto podría ser cierto. Con cien mil millones de neuronas y cien billones de conexiones, el cerebro es un objeto tremendamente complejo.

Pero hay muchos otros objetos complicados en el universo. Por ejemplo, las galaxias pueden agruparse en estructuras enormes (llamadas cúmulos, supercúmulos y filamentos) que se extienden por cientos de millones de años luz. El límite entre estas estructuras y los tramos vecinos de espacio vacío llamados vacíos cósmicos puede ser extremadamente complejo.

La gravedad acelera la materia en estos límites a velocidades de miles de kilómetros por segundo, creando ondas de choque y turbulencia en los gases intergalácticos. Hemos predicho que el límite de filamento vacío es uno de los volúmenes más complejos del universo, medido por la cantidad de bits de información que se necesitan para describirlo.

Esto nos hizo pensar: ¿es más complejo que el cerebro?

Así que nosotros, un astrofísico y un neurocientífico, unimos fuerzas para comparar cuantitativamente la complejidad de las redes de galaxias y las redes neuronales. Los primeros resultados de nuestra comparación son realmente sorprendentes: no solo las complejidades del cerebro y la red cósmica son realmente similares, sino también sus estructuras. El universo puede ser auto-similar en escalas que difieren en tamaño en un factor de mil millones de billones de millones.

La tarea de comparar cerebros y cúmulos de galaxias es difícil. Por un lado, requiere tratar con datos obtenidos de formas drásticamente diferentes: telescopios y simulaciones numéricas por un lado, microscopía electrónica, inmunohistoquímica y resonancia magnética funcional por el otro.

También requiere que consideremos escalas enormemente diferentes: la totalidad de la red cósmica, la estructura a gran escala trazada por todas las galaxias del universo, se extiende por al menos unas pocas decenas de miles de millones de años luz. Esto es 27 órdenes de magnitud más grande que el cerebro humano. Además, una de estas galaxias alberga miles de millones de cerebros reales. Si la red cósmica es al menos tan compleja como cualquiera de sus partes constituyentes, podríamos concluir ingenuamente que debe ser al menos tan compleja como el cerebro.

El número total de neuronas en el cerebro humano cae en el mismo estadio que el número de galaxias en el universo observable.

Pero el concepto de emergencia hace posible la comparación. Muchos fenómenos naturales no son igualmente complejos en todas las escalas. La majestuosa red de la red cósmica se hace evidente solo cuando se examina el cielo en su mayor extensión. En escalas más pequeñas, con materia encerrada en estrellas, planetas y (probablemente) nubes de materia oscura, esta estructura se pierde. A una galaxia en evolución no le importa la danza de los orbitales de electrones dentro de los átomos, y los electrones se mueven alrededor de sus núcleos sin tener en cuenta el sistema galáctico en el que residen.

De esta manera, el universo contiene muchos sistemas anidados en sistemas, con poca o ninguna interacción en diferentes escalas. Esta segregación de escala nos permite estudiar los fenómenos físicos a medida que surgen en sus propias escalas naturales.

Los componentes básicos de la red cósmica son los halos autogravitantes de las estrellas, el gas y la materia oscura (cuya existencia aún no se ha probado definitivamente). En total, el número de galaxias dentro del universo observable debería ser del orden de 100 mil millones. El equilibrio entre la expansión acelerada de la estructura del espacio-tiempo y la fuerza de la auto-gravedad le da a esta red su patrón similar a una telaraña. La materia ordinaria y oscura se condensa en filamentos parecidos a cuerdas, y se forman cúmulos de galaxias en las intersecciones de filamentos, dejando la mayor parte del volumen restante básicamente vacío. La estructura resultante parece vagamente biológica.

Una estimación directa del número de células o neuronas en el cerebro humano no estaba disponible en la literatura hasta hace poco. La materia gris cortical (que representa más del 80 por ciento de la masa cerebral) contiene alrededor de 6 mil millones de neuronas (19 por ciento de las neuronas cerebrales) y casi 9 mil millones de células no neuronales. El cerebelo tiene alrededor de 69 mil millones de neuronas (80.2 por ciento de las neuronas del cerebro) y alrededor de 16 mil millones de células no neuronales. Curiosamente, el número total de neuronas en el cerebro humano cae en el mismo estadio de béisbol del número de galaxias en el universo observable.

El ojo capta inmediatamente alguna similitud entre las imágenes de la red cósmica y el cerebro.

¿Es la aparente similitud solo la tendencia humana a percibir patrones significativos en datos aleatorios (apofenia)? Sorprendentemente, la respuesta parece ser no: el análisis estadístico muestra que estos sistemas sí presentan similitudes cuantitativas. Los investigadores utilizan regularmente una técnica llamada análisis del espectro de potencia para estudiar la distribución a gran escala de las galaxias. El espectro de potencia de una imagen mide la fuerza de las fluctuaciones estructurales que pertenecen a una escala espacial específica. En otras palabras, nos dice cuántas notas de alta y baja frecuencia forman la peculiar melodía espacial de cada imagen.

Un mensaje sorprendente surge del gráfico de espectro de potencia en la Figura 2 (abajo): La distribución relativa de fluctuaciones en las dos redes es notablemente similar, en varios órdenes de magnitud.
“A una galaxia en evolución no le importa la danza de los orbitales de electrones dentro de los átomos”.

La distribución de las fluctuaciones en el cerebelo a escalas de 0,1 a 1 mm recuerda la distribución de las galaxias en cientos de miles de millones de años luz. En las escalas más pequeñas disponibles para la observación microscópica (alrededor de 10 µm), es la morfología de la corteza la que se asemeja más a la de las galaxias, en escalas de unos pocos cientos de miles de años luz.

En comparación, los espectros de energía de otros sistemas complejos (incluidas las imágenes proyectadas de nubes, ramas de árboles y turbulencias de plasma y agua) son bastante diferentes de los de la red cósmica. Los espectros de potencia de estos otros sistemas muestran una dependencia más pronunciada de la escala, lo que puede ser una manifestación de su naturaleza fractal. Esto es particularmente sorprendente para la distribución de ramas en los árboles y en el patrón de las nubes, los cuales son bien conocidos por ser sistemas fractales con auto-similitud en una gran variedad de escalas. Para las complejas redes de la red cósmica y del cerebro humano, por otro lado, el comportamiento observado no es fractal, lo que puede interpretarse como evidencia del surgimiento de estructuras auto-organizadas dependientes de la escala.

Por notable que sea la comparación del espectro de potencia, no nos dice si los dos sistemas son igualmente complejos. Una forma práctica de estimar la complejidad de una red es medir qué tan difícil es predecir su comportamiento. Esto se puede cuantificar contando cuántos bits de información son necesarios para construir el programa de computadora más pequeño posible que pueda realizar tal predicción.

Uno de nosotros ha medido recientemente lo difícil que es predecir cómo evoluciona la red cósmica, basándose en la evolución digital de un universo simulado.1 Esta estimación sugiere que se necesitan entre 1 y 10 petabytes de datos para describir la evolución de todo el observable. universo a la escala donde emerge su auto-organización (o al menos de su contraparte simulada).

Estimar la complejidad del cerebro humano es mucho más difícil, porque las simulaciones globales del cerebro siguen siendo un desafío sin resolver. Sin embargo, podemos argumentar que la complejidad es proporcional a la inteligencia y la cognición. Basándose en el último análisis de la conectividad de la red cerebral, estudios independientes han concluido que la capacidad total de memoria del cerebro humano adulto debería ser de alrededor de 2,5 petabytes, ¡no muy lejos del rango de 1-10 petabytes estimado para la red cósmica!

En términos generales, esta similitud en la capacidad de memoria significa que todo el cuerpo de información que se almacena en un cerebro humano (por ejemplo, la experiencia de vida completa de una persona) también se puede codificar en la distribución de las galaxias en nuestro universo. O, a la inversa, que un dispositivo informático con la capacidad de memoria del cerebro humano puede reproducir la complejidad que muestra el universo en sus escalas más grandes.

¿Este hecho nos dice algo profundo sobre la física de los fenómenos emergentes en los dos sistemas? Tal vez. Pero debemos tomar estos hallazgos con un grano de sal. Nuestro análisis se ha limitado a pequeñas muestras tomadas con técnicas de medición muy diferentes.

Además, nuestro análisis no apunta a una similitud dinámica entre estos sistemas. Un modelo de cómo fluye la información a través de escalas espaciales y temporales en los dos sistemas será la prueba crucial. Esto ya es factible para la red cósmica a través de simulaciones numéricas. Para el cerebro humano tenemos que confiar en estimaciones más globales, generalmente derivadas de porciones más pequeñas que luego se escalan hacia arriba. En un futuro próximo, nuestro objetivo es probar estos conceptos en modelos numéricos más sofisticados del cerebro humano.

Programas como Human Brain Project, diseñado para simular una red neuronal humana completa, y Square Kilometer Array, la empresa más grande jamás realizada en radioastronomía, nos ayudarán a completar algunos de estos detalles y comprender si el universo es aún más sorprendente de lo que pensábamos.

 

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