Crean una arquitectura informática inspirada en el cerebro: es casi tan flexible y adaptable como las neuronas.

El cerebro humano ha inspirado a un grupo de científicos para crear una nueva arquitectura informática que supera muchas limitaciones de los sistemas actuales: es más rápida, eficiente y alcanza un nivel de flexibilidad y capacidad de adaptación comparable al obtenido por nuestro cerebro.

Una nueva arquitectura informática inspirada en el cerebro humano, desarrollada por un equipo internacional de investigadores, utiliza el funcionamiento de una molécula para aumentar aún más la toma de decisiones ultrarrápidas en los ordenadores y ganar flexibilidad, recordando a la plasticidad de las neuronas en el cerebro.

De acuerdo a una nota de prensa de la Universidad de Limerick, en Irlanda, uno de los centros académicos que formó parte de la investigación, el avance crea un nuevo tipo de arquitectura informática con un considerable ahorro de tiempo y energía, que podría tener importantes implicaciones en áreas que van desde la toma de decisiones financieras hasta la bioinformática.

La molécula que inspiró a los científicos utiliza la asimetría natural en sus enlaces metal-orgánicos para cambiar velozmente entre diferentes estados, lo que le permite tomar decisiones ultrarrápidas. En el nuevo dispositivo, todo se hace en un solo lugar, por lo que no hay necesidad de seguir leyendo o moviendo información

El nuevo circuito informático-molecular se basa en que la unidad de procesamiento por ordenador ya no tiene que buscar datos en la memoria para cada operación que realiza: esta integración y simultaneidad ahorra enormemente en tiempo y costos de energía. El estudio sobre el cual se basa esta innovación fue publicado recientemente en la revista Nature.

Buscando imitar la plasticidad cerebral

Los investigadores comenzaron su trabajo reconociendo que las redes sinápticas entre las neuronas del neocórtex incorporan intrincadas estructuras lógicas que permiten una toma de decisiones sofisticada y extremadamente veloz, que supera ampliamente a cualquier análogo electrónico artificial.

Además, la red neuronal en el cerebro humano se puede reconfigurar dinámicamente, proporcionando flexibilidad y adaptabilidad a entornos cambiantes: esta característica no ha podido ser alcanzada aún por las redes artificiales y los sistemas informáticos. No es extraño, entonces, que muchos avances en estas áreas se logren a partir de desarrollos inspirados en el cerebro humano.

En la nueva investigación, los científicos descubrieron que una molécula simple hecha de solo 77 átomos puede ser utilizada para crear una arquitectura informática que no solamente es más veloz y económica: también puede obtener un nivel de flexibilidad que recuerda a la plasticidad neuronal que caracteriza a nuestro cerebro.

Dejar atrás el «cuello de botella»

De esta manera, la innovación estaría superando el denominado cuello de botella de Von Neumann. Se trata de una limitación en el procesamiento informático como consecuencia de las arquitecturas informáticas que se emplean en la actualidad. En las mismas, los datos, aplicaciones y programas que se encuentran en la memoria están físicamente separados del procesador.

Debido a esto, los ordenadores deben dedicar una cantidad significativa de tiempo al transporte de información entre ambos sistemas (memoria y procesador). Es entonces cuando se genera un «cuello de botella», ya que aunque disponga de grandes velocidades de procesamiento, el ordenador debe perder mucho tiempo en integrar los datos de la memoria con el procesador, permaneciendo inactivo para otros fines durante ese período.

La innovación basada en el funcionamiento de una molécula e inspirada en el cerebro humano supera esta limitación, integrando memoria y procesamiento. Incluso, los científicos demostraron experimentalmente que su dispositivo era capaz de efectuar cálculos complejos en un único paso o fragmento de tiempo, para posteriormente reprogramarse y realizar otra tarea de forma inmediata.

Los investigadores han explorado una solución basada en moléculas orgánicas, que últimamente se están utilizando para crear dispositivos que puedan superar el cuello de botella de Von Neumann, una condición que los sistemas tradicionales y otras opciones no pueden lograr con cierta eficacia.

Ahora, este tipo de desarrollos promete la creación de dispositivos informáticos ultrarrápidos y con una increíble flexibilidad para llevar adelante múltiples tareas y adaptarse a los cambios, casi al mismo nivel que muestra el siempre sorprendente cerebro humano.

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Referencia :Decision Trees within a Molecular Memristor. Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, Ariando Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami and R. Stanley Williams. Nature (2021)

Foto: Gerd Altmann en Pixabay.

FUENTE RESPONSABLE: TENDENCIAS – Por Pablo Javier Piacente. Arquitectura informática/cerebro/plasticidad neuronal.

Erwin Neher, Premio Nobel de Medicina: 

“La curiosidad es algo que todos tenemos de niños, un investigador es alguien que logra conservarla de adulto”

Desde que estaba en la secundaria, Erwin Neher, por pura curiosidad, desarmaba radios y relojes para ver cómo funcionaban sus mecanismos eléctricos.

Luego aprendió que el cuerpo humano también tiene electricidad, un dato que le pareció tan fascinante que lo llevó a estudiar biofísica, una área de la ciencia que se ocupa de los fenómenos eléctricos en los organismos vivos.

A Neher le llamaba la atención que algo como la electricidad, la cual se manipula con cables, transistores y resistencias, también pudiera ocurrir en un cuerpo humano, que está lleno de líquidos y sin ningún metal.

Neher (Alemania, 1944) estudió física en la Universidad Técnica de Múnich, medicina en la Universidad de Göttingen (Alemania) y se especializó en fisiología en la Universidad de Wisconsin-Madison (EE.UU.).

Lo que nació como una inquietud de adolescente, en 1991 lo llevó a ganar el Premio Nobel de Medicina, que recibió junto a su colega Bert Sakmann.

Durante décadas, Neher y Sakmann habían estudiado la manera en que las células intercambian mensajes eléctricos.

De esa manera, lograron desarrollar técnicas para medir las corrientes eléctricas que atraviesan las membranas celulares.

Gracias a ese descubrimiento, se han podido desarrollar una gran cantidad de fármacos, entre ellos algunos para tratar enfermedades como el párkinson, el alzhéimer y la fibrosis quística.

Si lo deseas, clickea en el siguiente párrafo para profundizar sobre los “hábitos”

neuronas

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Neher ha dedicado su vida a estudiar las señales eléctricas que circulan entre las células.

Hoy, a sus 77 años, Neher sigue convencido de que la curiosidad fue lo que le permitió alcanzar la mayor distinción en la ciencias, y en sus charlas en escenarios mundiales siempre aconseja a los jóvenes mantenerse curiosos.

Actualmente, Neher es el director del Instituto Max Planck de Química Biofísica en Alemania.

En BBC Mundo conversamos con Neher acerca de la curiosidad y la ciencia.

línea

¿Qué es la curiosidad, una cualidad o un hábito?

Creo que es una cualidad todos tenemos, particularmente los niños. Ellos quieren explorar el mundo, quieren averiguar, ensayar cosas.

Un investigador es alguien que preserva esa curiosidad cuando es adulto. Es alguien cuya mente está cautivada por las ganas de saber, de probar, de entender algo.

Niño

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¿Cree que a medida que crecemos vamos perdiendo la curiosidad?

Sí, a medida que envejecemos tienden a ponerse en primer plano cosas como mantener a tu familia o tener solvencia económica, cosas como esas.

Cuando envejeces quizás tienes la sensación de que las posibilidades de encontrar algo nuevo o de lograr una experiencia nueva disminuyen, pero como científico siempre estás confrontado por nuevas preguntas, nuevas ideas.

¿Usted tiene un método para mantenerse siempre curioso?

Creo que se trata simplemente de mantenerse intentando cosas nuevas.

En el caso de los niños, se trata de dejarlos hacer cosas por ellos mismos, de que averigüen por ellos mismos las leyes de la física.

Niña

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Para Neher, la clave es no perder la curiosidad que todos tenemos de niños.

¿Cree que los sistemas educativos estimulan la curiosidad?

En la universidad creo que no mucho. Tradicionalmente, la idea es transmitir conocimiento establecido.

Luego, en las prácticas, los estudiantes pueden intentar cosas y encontrar maneras de resolver ciertos problemas.

Más adelante, en los estudios doctorales o en las tesis de maestría, los estudiantes se enfrentan a retos que definitivamente despiertan la curiosidad.

Un buen número de estudiantes, no todos, desarrollan esta curiosidad, es una buena oportunidad para hacerlo.

¿Y qué se podría hacer para estimular más la curiosidad en las universidades?

Creo que tiene que ver con la forma de enseñar. Es decir, que no sea solo lo que llamamos educación frontal, esa en la que el profesor censura y dice lo que él piensa que es la verdad y los estudiantes tienen que aceptarla.

En cambio, puede ser una educación más interactiva, en la que se hagan preguntas y los estudiantes intenten encontrar sus propias respuestas a ciertos problemas.

Creo que eso es lo principal.

Universidad

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La curiosidad es un buen primer paso, pero, ¿cómo llevarla a un nivel que dé frutos?

Como investigador, tienes que encontrar tú mismo cuál es la pregunta que quieres resolver.

Un investigador necesita una curiosidad que lo atrape en una idea en la que prácticamente no pueda dejar de pensar.

Eso es lo más importante, identificar el problema que quieres solucionar y mirarlo desde distintos ángulos.

Luego, haces experimentos de los que se derivan preguntas más específicas.

En el laboratorio puedes responder algunas de estas preguntas, a menudo fallas, el experimento no te dice lo que esperabas, o no te dice nada nuevo.

Eso, por supuesto, es decepcionante, pero si sigues pensando en esas preguntas haces algunos ajustes para arreglar lo que no funcionó y, si tienes suerte, funciona.

Erwin Neher

GETTY IMAGE

Un investigador necesita una curiosidad que lo atrape en una idea en la que prácticamente no pueda dejar de pensar”

Erwin Neher

Premio Nobel de Medicina, 1991

Idealmente, todos quisiéramos ser más curiosos e intentar cosas nuevas, pero a veces la rutina, el tipo de trabajo o las necesidades apremiantes no lo permiten. ¿Qué hacer en ese caso?

Bueno, no tengo esa experiencia porque he sido un investigador toda mi vida.

Pero me imagino que las compañías pueden fomentar una cultura en la que las iniciativas de los empleados sean reconocidas, y que sean recompensados por innovar o implementar mejoras.

Me refiero a cualquier medida que vaya en contra de la rutina, que vaya en contra de que la gente haga lo mismo todo el día.

Usted sostiene que un aspecto clave para el éxito es el buen manejo del tiempo. ¿Cómo maneja su tiempo?

Como investigador, tu trabajo es tu hobby, y tu hobby es tu trabajo.

Eso significa que, aparte de tu trabajo, hay poco tiempo para otras cosas.

Si tienes una familia, un pasatiempo o quieres participar en actividades con tus amigos, tienes que usar el tiempo que te queda de tus labores de investigación de manera efectiva.

Como investigador, por supuesto que quieres tener bastante tiempo para tus experimentos, para lidiar con el problema que quieres resolver.

Pero también te ves forzado a hacer otras cosas, como leer literatura, escribir postulaciones a becas. Tienes que enseñar si estás en la universidad. Hay muchas cosas que se comen tu tiempo.

Tienes que esforzarte para hacer estas cosas de manera eficiente, de manera que puedas separar tiempo para lo que realmente quieres ser.

reloj

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El manejo del tiempo es clave en la carrera de un investigador científico.

Usted es un gran defensor del estudio de las ciencias básicas, cuyo objetivo es producir conocimiento, sin que necesariamente tenga una aplicación específica. ¿Cómo defender esas áreas en un mundo en el que el mercado y la tecnología exigen soluciones prácticas?

Mucha gente cree que uno debe elegir entre investigación básica o investigación aplicada.

Pero no se trata de elegir, es cuestión de encontrar el balance correcto entre ciencias básicas y ciencia aplicada.

La ciencia básica se trata de crear conocimiento nuevo. Si tienes conocimiento nuevo que surgió en tu laboratorio, tienes muchas más posibilidades de encontrarle una aplicación, o lo que la gente llama una innovación.

Usted compara a los científicos con los artistas, ¿a qué se refiere?

Un científico, al menos uno que tenga éxito en ser un investigador líder, es alguien que hace cosas que salen de sí mismo, a diferencia de alguien que está empleado y tiene que hacer lo que el superior o la compañía quiere que haga.

Entonces me refiero a una persona que se dedica a cosas que él mismo ha creado, similar a un artista que sigue sus propias ideas y sentimientos.

Artista

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¿En esta etapa de su vida qué le causa curiosidad?

Bueno, acabo de cumplir 77 años y creo que es tiempo de concluir, de recolectar las ideas que he tenido en los últimos 20 años y tratar de llegar a conclusiones sobre los problemas en los que he trabajado.

Eso tiene que ver con los mecanismos básicos de comunicación entre las neuronas.

Me parece fascinante cómo trabaja el cerebro, pero no es algo fácil. El trabajo diario en el laboratorio no se enfoca en las grandes ideas acerca del cerebro, si no, muy a menudo, en detalles de los mecanismos de cómo una neurona le envía una señal a otras neuronas.

cerebro

FUENTE DE LA IMAGEN, – GETTY

Neher está interesado en conocer mejor el funcionamiento del cerebro humano.

En este año que lleva la pandemia de coronavirus, ¿qué reflexiones ha hecho sobre el papel de la ciencia y la medicina en la sociedad?

La pandemia nos dice, una vez más, que la base de nuestra vida es la biología, que estamos sujetos a que ocurran cosas relacionadas con la biología.

La pandemia es un evento biológico, y creo que nos dice que debemos estar preparados.

Debemos investigar más acerca de cómo se esparce la infección, cómo se desarrolla la pandemia.

La pandemia nos muestra, una vez más, lo importante que la ciencia básica es para nuestra vida.

¿Qué consejos le daría a los jóvenes que se quieren dedicar a la investigación científica?

Los jóvenes que se quieran dedicar a la ciencia deben averiguar por sí mismos si tienen la habilidad de sumergirse en un problema, de dejarse cautivar por un problema.

Una vez identifiquen ese problema, los estudiantes deben tratar de ingresar a un laboratorio, en cualquier parte del mundo, donde se esté investigando este problema de la mejor manera posible.

Imagen: Gentileza de Festival Puerto de Ideas

FUENTE. BBC News MUNDO – Por Carlos Serrano – Neurociencia – Cerebro – Investigación – Sociedad – Mundo

 

Dígame con qué sueña y le diré lo que recordará su cerebro.

Alexander Luria era el mejor neuropsicólogo de Rusia y su caso más famoso fue un periodista. Si el jefe de redacción daba indicaciones, todos tomaban notas, excepto Shereshevsky. 

Cuando le increparon, el chico lo repitió palabra por palabra. Asustado, el jefe le rogó que visitara a un psicólogo, y Luria comprobó que tenía hipermnesia. Podía recordar todo lo que ocurría, fórmulas y páginas enteras, incluso años después: su cerebro no era normal.

Los cerebros normales necesitan un periodo de consolidación de los recuerdos. Durante el sueño, los contenidos relevantes se reciclan y consolidan. 

Los circuitos que conectan el hipocampo y la corteza se recombinan mientras dormimos. Una función esencial del sueño es seleccionar qué recordar y qué olvidar. Cada fase del sueño es importante para consolidar un tipo de información.

La fase de sueño NREM inicia el proceso del dormir. Al principio, las ondas son rápidas y el sueño, superficial. 

Luego, el sueño se hace profundo y las ondas cerebrales más lentas. Esta etapa es importante para consolidar habilidades sensoriales (distinguir señales visuales) y habilidades motoras (bailar, practicar deportes).

La fase REM se caracteriza por movimientos oculares muy rápidos y ensoñaciones más vívidas, casi una película. Esta fase aumenta su duración cuando estudiamos. Sirve para guardar conocimientos abstractos y también episodios muy emocionales.

El cerebro dirige

La película del sueño parece montada por un director excéntrico, tipo David Lynch. Este director, obviamente, es nuestro cerebro.

La amígdala es una estructura pequeña, escondida en el interior del lóbulo temporal. Es la encargada de marcar los contenidos emocionales, es la música que da el tono emocional. 

¿Por qué el argumento del sueño nos parece surrealista o absurdo? Los protagonistas son eventos destacables del día. Si están cargados de emoción, tienen probabilidades de ser elegidos en el casting.

En paralelo, cada neurona puede combinarse con miles de millones. 

Las neuronas activas pueden llamar a antiguas amigas. Los neurocientíficos dicen que las neuronas son muy ruidosas. Por este motivo, se activan muchas conexiones adyacentes. Son actores secundarios que rellenan nuestros sueños. Y así, junto a eventos del día, aparecen personas o escenas familiares que hace tiempo no veíamos.

Entonces, ¿qué significan nuestras ensoñaciones? 

No hay que prestar tanta atención al argumento –esa historia intrigante que Freud intentaba descifrar–, ya que es debido a la presencia del azar en el proceso. Unos contenidos emocionales llaman a otros episodios de tono emocional similar.

Lo esencial es la emoción predominante, el tema de la película.

Si el sueño es una comedia, probablemente viva usted un momento feliz. Si es de terror, el miedo está presente durante el día. Si es un thriller, puede haber ansiedad. Todo el montaje ocurre de forma inconsciente e involuntaria. 

La mayoría de las veces, no lo recordamos al despertar. En este aspecto, Freud tenía razón. La película se rueda sin público, en el inconsciente. ¿Nadie la ve? Si la escena es muy intensa, el cerebro nos despierta antes de tiempo. Ya hay un espectador en la sala. Nuestra consciencia.

Sueño y memoria

En realidad, todas las fases parecen interaccionar de forma mucho más compleja y contribuir a la consolidación. 

Incluso la alternancia entre las fases de ondas lentas y el sueño REM juega un papel en los recuerdos de las experiencias. Por ello se dice que el procesamiento de la memoria es dependiente del sueño.

En resumen, el cerebro se ocupa de mantener viva la información importante. Imaginemos un profesional que, tras una noche sin dormir, no recuerda ninguna de sus tareas pendientes. 

El sueño cumple este objetivo, sintetizar lo relevante. Estos datos se repasan, se resumen y están disponibles al despertar.

Además, el dormir cumple muchas otras funciones, relacionadas con la higiene neuronal. Dormir poco, menos de entre 5 y 8 horas, constantemente, se asocia con un incremento de la mortalidad. 

No tema dormir, no perderá el tiempo, pues mientras usted descansa su cerebro trabaja de muy diferentes formas. El sueño favorece la creatividad y la resolución de problemas. 

La literatura ha recogido muchos sueños famosos que reflejan esta función. 

Por encargo del poeta Lord Byron, Mary Shelley tenía que escribir un relato. Tras una pesadilla, nació Frankenstein. El poeta Samuel Coleridge soñó un largo poema sobre Kubla Khan, lo que maravillaba a Borges. En el campo de la química, Mendeléyev confesó que se le había ocurrido la tabla periódica durante un sueño.

Por cierto, ¿qué fue del periodista Shereshevsky? No tuvo una carrera brillante. Su cerebro tenía demasiadas conexiones extrañas. 

Una mancha le recordaba una fórmula; un número tenía sabor o forma y se convertía en un hombre con bigote. Todos los sentidos se interconectaban y las informaciones se mezclaban. 

Esta sinestesia le impedía pensar bien, centrarse en el presente. Carecía de un cerebro normal, como el nuestro, que ejecutase la tarea de seleccionar lo importante.

Durante un tiempo, ofreció espectáculos circenses en locales de Moscú. 

Aun así, el pobre seguía sin saber cómo deshacerse de lo accesorio. Una simple tos le distraía, ya que no podía olvidar nada. No dejó de visitar a Luria y, al final, acabó conduciendo un taxi. 

Olvidar lo accesorio también es esencial para vivir el presente.

FUENTE: THE CONVERSATION – Neurociencia – Cerebro

Imagen: Gentileza The Conversation

El caos ayuda a pensar, incluso a las redes neuronales artificiales.

Dentro del cerebro, el caos y el orden no sólo no se excluyen, sino que se potencian entre sí. Lo mismo ocurre en las redes neuronales artificiales: comparten la complejidad de las sinapsis biológicas, siguiendo tal vez el mismo atractor propuesto por la teoría del caos.

Dos investigaciones diferentes han puesto de manifiesto que el orden y el caos conviven en un difícil equilibrio, tanto en las redes neuronales biológicas como artificiales, para optimizar el procesamiento de información.

Todavía resulta un misterio comprender cómo una maraña de neuronas procesa miradas de datos para que los seres vivos puedan gestionar la cotidianidad.

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Sabemos que el cerebro bascula entre dos extremos, el orden y el caos, por la sencilla razón de que demasiado orden impide gestionar la complejidad de la vida, mientras que demasiado caos impide el procesamiento de la información que procede de los sentidos.

Por eso se dice que el cerebro navega en la frontera del caos e incluso que es capaz de encontrar el orden dentro del caos.

Una investigación desarrollada en el Instituto Neurociencia Computacional y de Sistemas (INM-6 / IAS-6) de Alemania, añade nuevos elementos al misterio que rodea a la actividad cerebral, tal como se explica en un comunicado.

Una de las cosas que ha podido determinar es que, dentro de la dinámica neuronal, el orden y el caos no son mutuamente excluyentes, sino que más bien se potencian entre sí.

Reconociendo caras

Eso significa que las redes neuronales caóticas son más eficientes porque se valen de la información ordenada, además de la difusa, para ofrecernos una visión adecuada del entorno.

Esta investigación incluso ha ido más lejos: ha calculado el momento óptimo para leer la información que procesan las neuronas, una actividad caracterizada por la producción de entropía (desorden, incertidumbre), típica de los sistemas caóticos.

Cuando observamos una cara, por ejemplo, se desencadena en el cerebro un proceso caótico: las trayectorias de las señales neuronales que estaban «ordenadas» en un estado de proximidad, se dispersan rápidamente buscando patrones de reconocimiento de la cara que hemos visto.

Esa dispersión obedece a un principio natural: cuanto más se alejan entre sí las señales neuronales, es más sencillo reagruparse y organizarse ante el nuevo patrón facial observado. Es así como reconocemos rápidamente a nuestro primo en medio de varios viandantes.

Caótico y predecible

Lo que aporta esta investigación es que ha calculado el momento preciso en el que el cerebro lee la información proporcionada por las señales en ese proceso caótico: si espera demasiado a que se terminen de reorganizar, la dispersión de señales que ha propiciado la observación de la cara de nuestro primo, se diluye y no llegamos a identificarlo.

También destaca algo no menos significativo: en términos de la computación cerebral, caótico no significa que sea impredecible, añaden los investigadores, ya que el estado de la red neuronal biológica se desarrolla en gran medida de manera determinista.

Las aplicaciones de estos descubrimientos, aparentemente irrelevantes, son significativas porque pretendemos replicar en laboratorio el funcionamiento del cerebro, a través de redes neuronales artificiales.

Los autores de esta investigación señalan que la dinámica caótica observada en neuronas biológicas se puede tomar como modelo para el aprendizaje automático y la computación neuromórfica.

Las conexiones entre la neurociencia y la inteligencia artificial pueden ser muy útiles, concluyen: solo hay que encontrar una formulación matemática general para verlas.

Aplicación contrastada

Científicos de Australia y Japón han comprobado en un estudio paralelo lo que plantea la investigación alemana: mantener una red de nanocables al borde de volverse caótica es el mejor estado para que produzca resultados útiles.

Han determinado que una red artificial de nanocables se puede sintonizar para responder de una manera similar a la del cerebro cuando se estimula eléctricamente.

Se sabe desde hace mucho tiempo que las neuronas biológicas se comunican con impulsos eléctricos cortos. Las neuronas artificiales, que se utilizan, por ejemplo, para el aprendizaje automático, envían sin embargo señales continuas.

«Descubrimos que las señales eléctricas enviadas a través de esta red encuentran automáticamente la mejor ruta para transmitir información. Y que esta arquitectura permite que la red ‘recuerde’ rutas anteriores a través del sistema», explica Joel Hochstetter, autor principal de este estudio, en un comunicado de la Universidad de Sydney.

Caos y cerebro

La investigación australiana aporta otros datos no menos interesantes: la estimulación eléctrica desencadena en la red neuronal artificial tanto comportamientos simples como complejos, pero la habilidad tecnológica consiste en aprovechar el mejor momento para capturar la información, que se da cuando el orden y el caos se rozan. Tal como habían calculado los científicos del INM-6/IAS-6.

Ambas investigaciones ponen de manifiesto que, tanto las redes neuronales biológicas como las artificiales, se valen de uno de los mecanismos por los cuales la complejidad surge en naturaleza, conocido como criticalidad: las dos se desenvuelven mejor cuando llegan al límite entre dos modos de operación, el caos y el orden.

También sugieren algo que viene rondando a la mente de los científicos desde hace tiempo: que de alguna forma la teoría del caos se puede aplicar a la dinámica del cerebro humano, con un atractor que la lleva a la frontera del desorden para procesar más eficientemente la información sensorial. Aparentemente se puede aplicar asimismo a la dinámica de las neuronas artificiales.

Referencias:

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Transient Chaotic Dimensionality Expansion by Recurrent Networks. Christian Keup et al. Phys. Rev. X 11, 021064, 25 June 2021. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021064

Avalanches and edge-of-chaos learning in neuromorphic nanowire networks. Joel Hochstetter et al. Nature Communications volume 12, Article number: 4008 (2021).

Imagen de portada: Imagen conceptual de interruptores conectados aleatoriamente en una red neuronal artificial. Crédito: Alon Loeffler.

FUENTE: Tendencias – Caos/Cerebro/Orden/Redes neuronales/redes neuronales artificiales – Por Eduardo Martínes de la Fe (Periodista Científico) 

Confirman mecanismos cuánticos en el cerebro vinculados a la cognición y los movimientos conscientes.

Estructuras cerebrales implicadas en la cognición y las acciones voluntarias utilizan mecanismos cuánticos que, a través del transporte de electrones que no siguen las leyes físicas, permiten iniciar movimientos conscientes y otras facultades superiores.

Una investigación del Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de Ningbo, en China, ha descubierto mecanismos cuánticos en estructuras de ferritina de laboratorio que son similares a las que se encuentran en neuronas críticas del cerebro.

Estas neuronas críticas forman parte de estructuras cerebrales implicadas en los movimientos voluntarios conscientes y en los procesos cognitivos, lo que sugiere que al menos determinadas facultades mentales humanas tienen un sustrato cuántico.

El resultado de esta investigación evidencia la existencia de una función cuántica en las capas de proteína de ferritina que se encuentran en las células, incluidas las neuronas, por lo que esa función cuántica estaría ampliamente extendida por el organismo.

Procesos cuánticos

La nueva investigación descubre nuevos aspectos de los procesos biológicos cuánticos que hasta ahora se ha sugerido ocurren en la fotosíntesis, en la mutación del ADN, en el olfato o la visión, en la actividad enzimática, y en la magnetorrecepción que usan los animales para orientarse siguiendo el campo magnético terrestre.

Según investigaciones previas, procesos cuánticos como el efecto túnel o el entrelazamiento pueden estar produciéndose en estos procesos biológicos, señalando la profunda implicación del universo cuántico en los mecanismos de la vida.

Hay otra derivada de la biología cuántica, que se perfila también como posible fuente de los procesos cognitivos e incluso de la consciencia, tal como ha sugerido, por ejemplo, Roger Penrose.

La nueva investigación afianza esta línea de investigación porque plantea con toda claridad que los procesos cuánticos pueden estar implicados en procesos cognitivos y en la toma de decisiones conscientes que ocurren a nivel humano.

Cerebro cuántico

Esta investigación fue diseñada para estudiar el transporte de electrones en estructuras de ferritina desarrolladas en laboratorio, pero que son similares a las que se encuentran en la sustancia negra pars compacta (SNc) y en el locus coeruleus (LC), grupos de neuronas de regiones críticas del cerebro.

La pars compacta contiene neuronas dopaminérgicas implicadas en la fisiopatología de las conductas adictivas. El locus cerúleo es una región anatómica cerebral involucrada en la respuesta al pánico y al estrés.

La investigación sobre la enfermedad de Parkinson ha demostrado también que la destrucción de las neuronas del SNc da como resultado la pérdida de la capacidad de iniciar un movimiento voluntario consciente. Asimismo, que la destrucción de neuronas en el LC da como resultado un procesamiento cognitivo deficiente.

Los resultados de la nueva investigación sugieren que las capas de ferritina presentes en esas estructuras cerebrales podrían proporcionar una función de conmutación que coordine esos grupos de neuronas para realizar la selección de movimientos conscientes y el procesamiento cognitivo, respectivamente, según explica uno de los investigadores, Christopher Rourk, en la revista ScienceX Dialog.

Cuestión de ferritina

La ferritina sería la clave de estos procesos: es la principal proteína almacenadora, transportadora y liberadora de forma controlada de hierro. Se produce por casi todos los organismos vivos.

Anteriormente se había descubierto que la ferritina provoca el así llamado efecto túnel, mediante el cual un electrón supera una barrera infranqueable en la física clásica: se comporta como una onda, en vez de como una partícula. Es un efecto cuántico.

También recientemente se han observado acumulaciones de capas de ferritina en muchos tejidos, incluidos los del cerebro, los melanosomas (orgánulos de pigmentación) y el tejido placentario, espacios orgánicos donde también ocurrirían procesos cuánticos.

La nueva investigación, dirigida por el profesor Cai Shen, ha demostrado que las capas de ferritina no solo conducen electrones a distancias de hasta 80 micrones mediante el efecto túnel, sino que también pueden formar un Aislante de Mott para cambiar de un estado conductor a un estado no conductor.

Un aislante de Mott es un material que “debería” ser metálico (conductor), pero presenta un comportamiento aislante. Según la nueva investigación, este aislante tiene reflejo en la biología porque un estado que debía ser conductor, deja de serlo.

Misteriosa ferritina

Los investigadores plantean la necesidad de realizar investigaciones y pruebas adicionales de los tejidos donde se encuentran acumulaciones de ferritina, para confirmar si organismos vivos utilizan las funciones de transporte y conmutación de electrones para funciones biológicas tan importantes, tal como sugieren los experimentos de laboratorio.

Los autores de esta investigación plantean que la ferritina debe dejar de ser considerada «sólo» como una proteína de almacenamiento de hierro, ya que está dotada de un mecanismo de transporte de electrones mecánico cuántico que estaría implicado en procesos biológicos y cognitivos de gran alcance.

Si ese mecanismo existe y se utiliza para realizar la selección de acciones y el procesamiento cognitivo, podría tener importantes implicaciones para nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro, destaca Rourk.

Biología cuántica

Muchos científicos están investigando actualmente la biología cuántica, que es la aplicación de la mecánica cuántica para investigar las funciones biológicas.

Recientemente se ha utilizado para conocer los mecanismos que están detrás de la fotosíntesis o de la forma en que las aves pueden percibir los campos magnéticos, entre otros campos.

Estos efectos biológicos cuánticos generalmente involucran electrones saltando o haciendo túneles a distancias de varios nanómetros, comportamiento que es incompatible con las partículas, pero que tiene sentido si se comportan como ondas siguiendo la dinámica cuántica, concluye Rourk.

Y parece que estos efectos biológicos cuánticos están por todas partes.

Imagen superior: sistema de partículas en 3D, que se construye mediante un flujo de cuerdas, generado en ondas. Richard Horvath, Unplash.

FUENTE: TENDENCIAS – Cerebro – Consciencia – Biología Cuántica – Investigación – Por Eduardo Martinez de la Fe (Periodista Científico)