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Neurociencia

Tus neuronas mejorarán las redes que mueven el mundo

Un estudio del cerebro muestra por qué las redes neuronales son tan robustas

Los investigadores proponen imitarlas para evitar catástrofes

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Dos personas examinan una proyección de conexiones cerebrales U. Illinois

Aunque a veces no lo parece, los humanos llevamos sobre los hombros el objeto más complejo del universo conocido: el cerebro. Si pudiéramos estirar todo el cableado que hay entre nuestras neuronas habría de sobra para ir y volver a la Luna cinco veces. Ni las estrellas, ni las galaxias, ni el creciente tráfico aéreo que cada día recorre el planeta, ni nigún otro sistema estudiable presenta mayor complejidad que el encéfalo. Tampoco hay muchos ejemplos de redes más eficientes. Por eso, desde hace algún tiempo, los científicos intentan entender mejor este entramado natural con 100.000 millones de neuronas y 100 billones de conexiones para mejorar otras redes artificiales.

Entre ellas están el tendido eléctrico, internet, las redes de transportes y las transacciones financieras, que en muchos casos dependen unas de otras. Comparadas con el cerebro, son mucho menos eficientes y sufren fallos “catastróficos”. Primero cae un nodo en una red, luego otro en otra red conectada, y así hasta generar una imparable cascada de fallos. En 2003, un problema de este tipo dejó sin electricidad a casi toda Italia. Cientos de pasajeros quedaron atrapados en trenes y metros, se paró el tráfico aéreo, Internet dejó de funcionar y esto a su vez hizo caer más centrales eléctricas. Unas malas conexiones acabaron dejando sin luz a 50 millones de personas y  causaron al menos tres muertes achacables al apagón.

Los expertos en redes complejas naturales, una disciplina que aúna a neurocientíficos, físicos y matemáticos, creen que si nuestras redes artificiales imitasen a las redes naturales no sucederían estos fallos catastróficos. Pero ¿cómo hace el cerebro para ser tan estable y resistente a apagones?

Aviones y virus

Investigadores españoles acaban de aportar importantes datos sobre el tema. Dada la inmensidad del cerebro, lo primero que han hecho es reducir las redes neuronales a esquemas de “bolitas y rayitas”, explica el neurocientífico Santiago Canals, que trabaja en el Instituto de Neurociencias de Alicante. Normalmente nos lleva fracciones de segundo ver un enorme coche negro que pasa a toda velocidad ante nuestros ojos. Lo hacemos gracias a redes neuronales interconectadas que captan movimiento, color y forma. El equivalente en el mundo exterior sería la red eléctrica, el internet y el resto de sistemas que le permiten leer esta noticia o que se aseguran de que los vuelos lleguen a tiempo, por ejemplo.

Esquema de las conexiones internas de una red (rojo) y las conexiones entre redes (azul) en el cerebro y en una red eléctrica. Nature Physics

Hasta ahora, una variante de las matemáticas conocida como teoría de grafos se ha aplicado a problemas como el tráfico aéreo o la expansión de virus y epidemias. La teoría permite redirigir el tráfico aéreo en Europa si cierra el aeropuerto de Barajas o Frankfurt o estimar las rutas de expansión del ébola partiendo de la red de transportes de un país. “Hasta ahora estos problemas abarcaban solo una red; ahora nuestro objetivo es abordar una red de redes”, detalla Canals. “Se trata de una disciplina que está naciendo y nuestro trabajo es uno de los primeros que explica cómo conectar mejor varias redes copiando ejemplos tomados de la naturaleza”, explica.

El equipo de Canals ha aplicado modelos matemáticos para dar con la red de redes óptima a prueba de fallos catastróficos. “Lo que hemos visto es que una red de redes es estable cuando los nodos tienen muchos enlaces dentro de su propia red y, además, los nodos que conectan una red con otra son similares entre sí”, explica Canals. Lo más “sorprendente”, dice, es que su equipo ha encontrado esa misma organización “óptima” en los cerebros de decenas de voluntarios, tanto cuando realizaban una tarea cognitiva como cuando simplemente se relajaban con los ojos abiertos. La resonancia magnética funcional les permite ver en directo cómo se encienden los diferentes nodos neuronales y comprobar que se organizan siguiendo los mismos principios que predecían los modelos matemáticos. El estudio se ha publicado en Nature Physics y en él que también han participado físicos de EEUU, Argentina y Brasil.

Conocer el cableado del cerebro nos abrirá la puerta a entender cómo se reorganiza tras un accidente y, con el tiempo, a entender la memoria o lenguaje"

Florentino Borondo

“Las redes que construimos los humanos están conectadas al azar o en función de los accidentes geográficos”, explica Canals. “La estructura que hemos observado podría inspirar reformas de las redes eléctricas, por ejemplo, haciendo que esta e Internet se comuniquen entre sí solo desde grandes nodos de tipo similar [en número de conexiones]”, detalla.

Otro campo de aplicación de esta incipiente disciplina es entender mejor enfermedades psiquiátricas y neurológicas. El equipo de Canals ha comenzado ya a hacer estudios con animales para comprobar que hay enfermedades neurológicas y psiquiátricas achacables a malas conexiones que reorganizan el cableado del cerebro.

Florentino Borondo, un matemático del Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT) experto en sistemas complejos, opina que se trata de un estudio “muy interesante”. “Todas estas redes, tanto biológicas como artificiales, o las sociales, amigos, relaciones, etcétera, comparten ciertas características definitorias que hacen que puedan ser estudiadas con las mismas teorías matemáticas”, comenta. Aparte del potencial para hacer más eficientes las redes humanas, Borondo, que no ha participado en el trabajo, coincide en el potencial de este enfoque para entender mejor el encéfalo y sus dolencias. “Conocer el cableado del cerebro nos abrirá la puerta para entender cómo este se reorganiza después de un accidente, bien traumático o vascular, y entender con el tiempo sus funciones elevadas como la memoria o lenguaje. Ahí radica nuestra esencia”, concluye.

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