La fuga de la vida: por qué la complejidad importa en la neurociencia

Imagen de portada: Day Donaldson/Flickr

PorJoel Frohlich, estudiante de doctorado en la Universidad de California, Los Ángeles, donde está examinando biomarcadores de trastornos del espectro autista. También es editor senior en Knowing Neurons. 

Editado por Pam Weintraub

Originalmente publicado en Aeon.co

Traducción al castellano por Leandro Castelluccio. Link a mis ensayos.

A la gente le gusta la simplicidad. Cada década, los logotipos corporativos se vuelven progresivamente minimalistas, las canciones pop utilizan melodías cada vez más simples y las artes visuales adoptan composiciones más simples cuando Monet da paso a Picasso y Picasso a Rothko. Este zeitgeist, resumido en la frase “la simplicidad es la máxima sofisticación”, da forma a nuestras percepciones del cuerpo humano de maneras interesantes. El latido de un corazón palpitante a menudo se celebra como el ritmo hermosamente simple de la naturaleza. Y, sin embargo, un latido del corazón que es demasiado simple y demasiado rítmico puede ser un signo de advertenciade insuficiencia cardíaca congestiva.

Tal vez el corazón es una anomalía, dices. Pero pasando de la cardiología a la neurología, las convulsiones epilépticas se manifiestan en el cerebro como actividad eléctrica altamente organizada en contraste con los patrones eléctricos caóticos de un cerebro floreciente. Continuando con la psiquiatría, una nueva investigaciónmuestra que las personas con autismo tienen patrones de habla muy regulares en comparación con los controles sanos.

La vida es compleja, pero ¿por qué es saludable la complejidad y por qué el orden sugiere una patología en el cerebro?

Un concepto llamado criticidad autoorganizada (SOC en inglés), descrito por primera vez en 1987 por los físicos Per Bak, Chao Tang y Kurt Wiesenfeld del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York, ayuda a explicar este asunto. Para entender la SOC, imagine una pila de arena en la playa. Si agregamos arena a la pila de arena hasta que la pendiente sea demasiado empinada para soportar más arena, las avalanchas entran en erupción, variando en tamaño desde unos pocos granos hasta una gran parte de la pila. Estas avalanchas resultan de un proceso lento (que agrega arena) que genera energía, y un proceso rápido (la fuerza de la gravedad que supera la fuerza de fricción) que disipa la energía. La inestabilidad de la pila de arena es un estado complejo que se conoce formalmente como criticidad. Al igual que con la actividad cerebral compleja, las avalanchas existen en todas las escalas espaciales y temporales y no se pueden entender simplemente mediante el estudio de las partes constitutivas del sistema.

Al igual que la pila de arena, el cerebro está al borde de la criticidad. Pero mientras las avalanchas de arena no procesan la información de manera significativa, las avalanchas neuronales (cascadas de actividad cerebral compleja descritas por investigadoresdel Instituto Nacional de Salud Mental de EE. UU. en 2003) pueden ser vitales para un cerebro que transita rápidamente entre muchos estados cognitivos y programas motores. En otras palabras, en un sistema vivo como el cerebro, la SOC no es un desorden sino un mecanismo para realizar cálculos rápidos, no muy diferente del comportamiento autoorganizativo de los mercados financieros que “determinan” rápidamente los precios, o los electorados que están en una transición rápida entre mayorías políticas. Para el cerebro, una pérdida de criticidad (y, por lo tanto, de un comportamiento complejo) es patológica.

No es sorprendente, entonces, que el comportamiento complejo observado en la actividad cerebral eléctrica pueda servir como un biomarcador útil del riesgo o pronóstico de enfermedad. ¡Esto no significa que tener una señal cerebral errática y loca sea saludable! Una definición útil de complejidad es un equilibrio entre tendencias opuestas tales como orden y desorden, o estabilidad e inestabilidad. Mediante el uso de herramientas matemáticas que cuantifican la complejidad, los investigadores de las principales instituciones de todo el mundo ya han identificado posibles biomarcadores de trastornos psiquiátricos, como en el autismo y la esquizofrenia, en señales de EEG registradas de forma no invasiva desde el cuero cabelludo. En un estudioparticularmente prometedor, William Bosl y otros colegas del Hospital Infantil de Boston y la Universidad de Boston utilizaron la complejidad del EEG para clasificar a los bebés según su riesgo de desarrollar autismo.

Si bien la SOC es un mecanismo muy abstracto para explicar el comportamiento complejo, se puede encontrar una explicación más concreta para la complejidad neuronal en la arquitectura física de las redes cerebrales. Imagina regiones del cerebro anatómicas como amigos de Facebook conectados por fibras anatómicas. Al igual que en las redes sociales, el 20% de las regiones (o perfiles de Facebook) representan el 80% de las conexiones. Al igual que las redes sociales, las regiones cerebrales forman “camarillas” densamente interconectadas, mini redes integradas dentro de la red más grande. Estas camarillas a menudo forman parte de camarillas aún más grandes, una condición conocida como modularidad. En Facebook, sus amigos más cercanos podrían ser parte de una colección de amigos más grande y laxa, que a su vez forman parte de una comunidad aún más grande, como una ciudad o una universidad. Tanto en las redes sociales como en los cerebros, son las complejas interacciones entre las partes las que dan lugar a fenómenos en todas las escalas. Tanto los cerebros como las redes sociales son algo análogos a una colonia de hormigas: la actividad organizada se produce a través de escalas espaciales, y no se puede estudiar una sola hormiga para comprender la colonia en su conjunto.

De hecho, en todas las escalas de organización y actividad cerebral, abunda la distribución sin escala. Las grabaciones de la actividad eléctrica del cuero cabelludo y la corteza fluctúan de tal manera que no existe una frecuencia promedio. Se ha mostrado una distribución sin escalas en las mediciones de picos neurales, apertura y cierre de canales iónicos, y la liberación de neurotransmisores en la sinapsis.Si bien no está claro exactamente qué mecanismos dan paso a la complejidad neuronal y al comportamiento saludable, es importante hacer un seguimiento de la complejidad para comprender e identificar trastornos cerebrales como la epilepsia, el autismo y la esquizofrenia. Medir la complejidad de la actividad cerebral pronto podría permitir a los médicos predecir qué bebés desarrollarán autismo y cómo responderán los pacientes con esquizofrenia a los medicamentos. Como dijo el físico Emerson Pugh: “Si nuestros cerebros fueran lo suficientemente simples para que los entendiéramos, seríamos tan simples que no podríamos”.