Orden dentro del ruido en el cerebro

Si examinamos la actividad de nuestro cerebro en su conjunto, la primera imagen que se nos viene a la cabeza es la de la pantalla de un televisor no sintonizado: una imagen ruidosa formada por puntos blancos y negros. La pregunta entonces es, ¿cómo es posible que el cerebro funcione de forma tan ordenada?

Los equipos de Jordi García Ojalvo, líder del Laboratorio de Dinámica de los Sistemas Biológicos y catedrático de la Universidad Pompeu Fabra (UPF), y Maria V. Sánchez-Vives, líder del equipo de Neurociencia de Sistemas y profesora de investigación ICREA en el Instituto de Investigaciones Biomédicas August Pi i Sunyer (IDIBAPS), estudian el fenómeno de la coherencia estocástica en el cerebro en un artículo publicado en Nature Physics. 

Las neuronas que alberga nuestro cerebro no parecen seguir un patrón de comportamiento ordenado. De hecho, la actividad de una neurona individual raramente muestra regularidad en sus impulsos. ¿Cómo se explican entonces los ciclos tan marcados que rigen el funcionamiento de nuestro cerebro, en especial en periodos como el sueño?

Los investigadores apuntan como responsable al llamado “ruido de fondo”, es decir, el conjunto de señales aleatorias que se dan habitualmente en cualquier sistema y que son normalmente consideradas indeseables. Imaginemos una respuesta neuronal que dependa de que la magnitud de la señal alcance cierto umbral.

Quizás, la señal por sí sola, aunque sea cíclica y regular, no llegue al umbral necesario para desencadenar dicha respuesta. Sin embargo, si a esta señal cíclica le añadimos un ruido de fondo, el valor de la señal aumenta, y se llega a superar así el umbral necesario que dará lugar a la respuesta.

Este mecanismo ha sido descrito con anterioridad en otro tipo de sistemas. Las glaciaciones de la Tierra, por ejemplo, se han sucedido de forma bastante regular a lo largo de millones de años. Sin embargo, el eje de rotación de la Tierra no es suficiente como para explicar estas glaciaciones periódicas.  Se trata de la resonancia estocástica: son las fluctuaciones aleatorias (ruido de fondo) las que se suman a la débil oscilación del eje de rotación y otorgan regularidad a las glaciaciones.

El fenómeno se ha descrito también en sistemas biológicos. El pez espátula detecta su alimento, el plancton, a través de débiles oscilaciones eléctricas que este emite de manera regular. Un estudio realizado en la Universidad de Missouri (EE UU) demuestra que, añadiendo ruido de fondo (oscilaciones eléctricas aleatorias) al sistema, el pez espátula detecta más fácilmente el plancton y, por ello, ingiere más.

Nivel de ruido óptimo

El equipo científico de la UPF y del IDIBAPS ha estudiado la corteza cerebral en situaciones que simulan el estado de sueño profundo, y han descrito por primera vez esta coherencia estocástica en el cerebro. Para ello controlaron el nivel de ruido variando la excitabilidad de la corteza, y observaron que las ondas lentas características del sueño profundo se hacen más regulares cuando dicha excitabilidad, y por tanto la aleatoriedad, aumenta.

Así, han logrado detectar que hay un nivel de ruido que es óptimo para alcanzar la máxima regularidad, a partir del cual el ruido domina sobre el orden. Resulta que el ruido de fondo, que podríamos comparar con los puntos blancos y negros que se veían antaño en un televisor no sintonizado, es lo que permite que las señales tan irregulares que generan las neuronas sean convertidas en oscilaciones que a menudo muestran la regularidad de un reloj.

Referencia bibliográfica:

Belén Sancristóbal, Beatriz Rebollo, Pol Boada, Maria V. Sanchez-Vives, Jordi Garcia-Ojalvo. Collective stochastic coherence in recurrent neuronal networks. Nature Physics, Mayo 2016. DOI: 10.1038/NPHYS3739