La consciencia está relacionada con la “entropía”, según un grupo de investigadores

Comparte esta historia:

La consciencia parece surgir naturalmente como resultado de un cerebro que maximiza su contenido informativo. Así lo ha expresado un grupo de científicos en Canadá y Francia, que ha estudiado cómo la actividad eléctrica en el cerebro de las personas varía según los estados conscientes de los individuos. Los investigadores han hallado que los estados de vigilia normales se asocian con valores máximos de lo que llaman la “entropía” del cerebro.

La mecánica estadística es muy buena para explicar las propiedades termodinámicas macroscópicas de los sistemas físicos en términos del comportamiento de las partículas constituyentes microscópicas de esos sistemas. Entusiasmados por este éxito, los físicos han intentado cada vez más hacer algo similar con el cerebro: en concreto, usar la mecánica estadística para modelar redes de neuronas. La clave de esto ha sido el estudio de la sincronización: cómo la actividad eléctrica de un conjunto de neuronas puede oscilar al unísono con la de otro conjunto. La sincronización a su vez implica que esos conjuntos de neuronas están físicamente conectados entre sí, al igual que los sistemas físicos oscilantes, como los péndulos, se sincronizan cuando están conectados entre sí [como muestra este vídeo con metrónomos].

El último trabajo se deriva de la observación de cómo la consciencia, o al menos el funcionamiento adecuado de los cerebros, no está asociada con altos o incluso bajos grados de sincronía entre las neuronas, sino por cantidades medianas. José Luis Pérez Velázquez, bioquímico en la Universidad de Toronto, y sus colegas plantearon la hipótesis de que lo que se maximiza durante la consciencia no es la conectividad misma, sino el número de maneras diferentes de lograr cierto grado de conectividad.

Muchas maneras de conectar

(Imagen ampliable) Red de neuronas en el cerebro. Imagen: Jose Luis Calvo/Shutterstock

El colega de Pérez Velázquez, Ramón Guevara Erra, físico de la Universidad Paris Descartes, señala que sólo hay una forma de conectar cada conjunto de neuronas en una red con el resto de redes, así como sólo hay una forma de no tener conexiones en absoluto. En cambio, observa, hay muchas maneras diferentes de disponer un número intermedio de conexiones medias.

Para poner su hipótesis a prueba, los investigadores utilizaron datos previamente recogidos por Pérez Velázquez mostrando las emisiones de los campos eléctrico y magnético de los cerebros de nueve personas, siete de las cuales sufrían de epilepsia. Habiendo registrado las emisiones por docenas de lugares a través del cuero cabelludo de los sujetos, los investigadores analizaron todos los posibles emparejamientos de estos “canales” de datos para establecer si las emisiones en cada caso se encontraban sincronizadas entre sí. Sumaron el número total de pares sincronizados y conectaron esa cifra junto con el número total de emparejamientos posibles en una fórmula estadística bastante directa para calcular cuántas configuraciones cerebrales diferentes producía ese nivel de sincronía. Una vez hecho esto, tomaron el logaritmo de ese número para establecer la entropía del cerebro.

Los datos se analizaron en dos partes. En uno, compararon las emisiones de cuatro de los pacientes epilépticos cuando sufrían una convulsión y cuando estaban en un estado normal de “alerta”. En el segundo, compararon las emisiones de los otros cinco individuos cuando dormían y cuando estaban despiertos. En ambos casos, la línea de fondo era la misma: el cerebro de los sujetos exhibía una mayor entropía, o un valor más alto de una cantidad similar conocida como complejidad de Lempel-Ziv (LZ), cuando se encontraba en un estado plenamente consciente.

Resultados variables

Guevara Erra admite que los resultados no son herméticos. De hecho, la complejidad LZ de uno de los cuatro pacientes epilépticos en el primer análisis no mostró ningún cambio entre los estados de convulsión y de alerta (aunque esa persona de hecho permaneció consciente durante parte de la convulsión). En otro individuo, la complejidad LZ aumentó realmente en el segundo análisis mientras la persona dormía. Guevara Erra dice que él y sus colegas no realizaron un análisis estadístico de sus resultados en parte debido a la “muy heterogénea” naturaleza de los resultados. Pero sigue teniendo una “confianza alta” de que las correlaciones que han identificado sean reales, particularmente, argumenta, porque fueron vistas en “dos conjuntos de datos diferentes”.

Peter McClintock, un físico que trabaja en dinámica no lineal en la Universidad de Lancaster en el Reino Unido, describe la investigación como “intrigante”, pero dice que la correlación consciencia-entropía debe ser confirmada con un mayor número de sujetos. También sugiere investigar “lo que ocurre en otros estados cerebrales donde la consciencia se altera”, como la anestesia [u otros].

Propiedad emergente

Se define la entropía como una medida del “desorden”. La segunda ley de la termodinámica dicta que la entropía se mantiene o aumenta en el universo.

Pérez Velázquez y sus colegas sostienen que la consciencia podría ser simplemente una “propiedad emergente” de un sistema (el cerebro) que busca maximizar el intercambio de información y por lo tanto la entropía, ya que hacerlo ayuda a la supervivencia del portador del cerebro al permitirle modelar mejor su entorno. En cuanto a la entropía, sin embargo, Guevara Erra es cauteloso. Explica que, personalmente, le gustaría tener una mejor comprensión de los procesos físicos que tienen lugar en el cerebro antes de emplear la etiqueta “entropía”, explicando cómo Pérez Velázquez estaba interesado en utilizar el término en su papel. Una opción, dice, sería llevar a cabo nuevos experimentos que miden las cantidades termodinámicas en el cerebro de los sujetos. Señala, por ejemplo, que la resonancia magnética puede usarse para medir la oxigenación, que está directamente relacionada con el metabolismo y, por lo tanto, con la generación de calor.

Guevara Erra añade que le gustaría extender sus investigaciones a un ámbito más allá del hospital para cubrir un comportamiento cognitivo más sutil pero general. La idea sería monitorear la actividad cerebral cambiante de una persona mientras se enfoca en llevar a cabo una tarea específica, como discriminando entre tonos musicales o intentando encontrar su camino alrededor de un laberinto. Esto, dice, debería ayudar a establecer si una “entropía” variable se correlaciona tanto con el grado de consciencia, así como simplemente con la presencia o ausencia de consciencia.

Un artículo que describe el trabajo será publicado en Physical Review E y también está disponible en arXiv.

Artículo original publicado en Physics World, la revista del Instituto de Física del Reino Unido. Revisado y traducido por ¡QFC!

Deja tu comentario

Comparte esta historia:
2017-01-19T14:18:00+00:00