Las ondas cerebrales se ajustan a los ritmos de la naturaleza

Jack Cowan

Las mismas reglas que gobiernan moléculas cuando se condensan de gas a líquido, o se congelan de líquido a sólido, también se aplican a los patrones de actividad de las neuronas en el cerebro humano. El matemático de la Universidad de Chicago Jack Cowan ofrecerá esta y otras visiones relacionadas con la actividad física en el cerebro esta semana en Boston durante la reunión anual de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (AAAS).

“Las estructuras que se construyen a partir de un gran número de unidades pueden exhibir transiciones bruscas de un estado a otro, lo cual los físicos conocen como transiciones de fase”, dijo Cowan, Profesor de Matemáticas y Neurología en Chicago. “Suceden cosas extrañas e interesantes en la vecindad de una transición de fase”.

Cuando los líquidos pasan por las transiciones de fase, se evaporan en gas o se congelan en hielo. Cuando el cerebro pasa por una transición de fase cambia de una actividad aleatoria a una basada en patrones. “El cerebro en descanso produce actividad aleatoria”, dijo Cowan, o lo que los físicos conocen como “movimiento Browniano”.

Aunque el grueso del trabajo implica derivar ecuaciones, las conclusiones de Cowan encajan bien con los datos generados en laboratorio sobre el córtex cerebral y los electroencefalogramas. Sus últimos hallazgos demuestran que las mismas herramientas matemáticas que usan los físicos para describir el comportamiento de las partículas subatómicas y la dinámica de fluidos y sólidos pueden ahora aplicarse para comprender cómo el cerebro genera sus distintos ritmos.

Esto incluye a las ondas delta generadas durante el sueño, las ondas alfa del cerebro visual, y las ondas gamma, descubiertas durante la última década, las cuales parecen estar relacionadas con el procesado de la información. “El estado de reposo del cerebro parece tener una estructura estadística que es característica de un cierto tipo de transición de fase”, dijo Cowan. “El cerebro quiere colocarse allí debido a que ese es el lugar donde el procesado de la información es óptimo”.

Cowan organizó una sesión para la AAAS sobre Matemáticas y Cerebro, que tendrá lugar desde las 8:30 a las 10 a.m. EST del sábado 16 de febrero. También participó en una rueda de prensa sobre el tema a las 3 p.m. EST el viernes 15 de febrero. Junto a él en ambos eventos estará la matemático Nancy Kopell de la Universidad de Boston y el neurocientífico computacional Tomaso Poggio del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

En esta etapa de su investigación, Cowan dijo que sería prematuro y especulativo intentar relacionar cómo las transiciones de fase en el cerebro podrían relacionarse con las condiciones neurológicas o estados de la consciencia humana. “Eso queda para el futuro”, comentó.

Otro componente de su última investigación es la estrecha relación entre los patrones de formación instantánea en los circuitos cerebrales y las redes de reacciones químicas. En esta investigación, demuestra cómo los matemáticos puede ayudar a explicar las alucinaciones visuales y como el córtex visual obtuvo sus bandas, que son visibles a simple vista cuando se extraen de los cadáveres.

“Esta línea de investigación sobre la formación de patrones puede ser rastreada en el pasado hasta Alan Turing, quien también fundó la ciencia moderna de la computación”, dijo Terrence Sejnowski del Instituto Salk para Estudios Biológicos en La Jolla, California, que es un experto mundial en neurobiología computacional.

La búsqueda de Cowan para comprender el funcionamiento del cerebro usando métodos numéricos se extiende a lo largo de más de cuatro décadas. A lo largo del camino ha colaborado con una serie de Doctores, estudiantes y colegas de física, matemáticas, biología y neurociencia.

En 1972, él y el profesor de posdoctorado Hugh Wilson, ahora en la Universidad de York en Canadá, formularon un conjunto de ecuaciones que pudieron describir la dinámica de las redes neuronales. Ahora conocidas como las “ecuaciones de Wilson-Cowan”, se convirtieron en un pilar de la investigación de redes neuronales. “Pero siempre sabía que aquellas ecuaciones eran inadecuadas, por lo que seguí pensando sobre ellas”, dijo Cowan.

Entonces en 1985, llegó a un artículo de una revista japonesa que describía una aproximación física estadística a las redes de reacciones químicas. “Me llevó años comprender cómo usar estas herramientas para las redes biológicas”, dijo. “Da la casualidad de que existe una analogía entre el comportamiento de las redes de reacciones químicas y las redes neuronales”.

Su carrera de investigación comenzó en 1962, cuando como estudiante graduado en ingeniería eléctrica, trabajó con los fundadores de la Teoría de Redes Neuronales. Eso incluye a Norbert Wiener, que falleció en 1964, antes de que pudiesen trabajar juntos en el problema que Cowan continúa abordando.

“Realmente no entendía lo que me estaba diciendo hasta que no trabajé en ello por mí mismo. Fue uno de los matemáticos más grandes del Siglo XX”, dijo Cowan.


Fecha Original: 15 de febrero de 2008
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Comments (2)

  1. Qué buen artículo, tengo que aprender más sobre el tema.

  2. “física, matemáticas, biología y neurociencia”, buena mezcla

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