La teoría de redes complejas se enfrenta al problema del cerebro

La teoría de las redes complejas (TRC) comprende una serie de herramientas metodológicas para el análisis de las propiedades topológicas y dinámicas de un conjunto de sistemas en interacción.

Este es el paradigma de los sistemas complejos, donde la interacción entre sus elementos da lugar a fenómenos emergentes que no podrían explicarse mediante el análisis de sus componentes por separado.

¿Cómo puede ayudar la TRC a entender mejor el funcionamiento del cerebro? A responder a esta cuestión se dedica el último número de la prestigiosa revista Philosophical Transactions of the Royal Society, en cuya edición han participado investigadores del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) junto a colegas de la Universidad de Cambridge.

El especial pone el foco de atención en el desarrollo de nuevas metodologías que permitan analizar y comprender mejor los datos experimentales obtenidos del registro de la actividad cerebral, con el objetivo de aumentar nuestro conocimiento sobre la estructura, dinámica y función del cerebro.

Concretamente, se centra en la aplicación a las neurociencias de la TRC, la cual combina técnicas de la dinámica no lineal, la física estadística y la teoría de grafos, aportando una nueva perspectiva al análisis del cerebro.

“La TRC nos permite estudiar cómo están organizadas las redes anatómicas cerebrales y cómo condicionan los procesos dinámicos que en ellas ocurren,” explica Javier M. Buldú, investigador del CTB y de la Universidad Rey Juan Carlos de Madrid, en la nota de prensa de la UPM. “Pero no solo eso, también es posible proyectar la actividad cerebral en una red funcional y estudiar cómo se comporta ésta con el envejecimiento o a medida que una enfermedad neurodegenerativa va avanzando”.

Ha transcurrido más de una década desde las primeras aplicaciones de la TRC en neurociencia y, a pesar de que se han alcanzado algunos logros importantes, el potencial de este tipo de estudios corre el riesgo de quedarse en una “eterna promesa”, dado que no ha producido ningún punto de inflexión o cambio radical en la forma en la que se estudia el cerebro.

“En este número especial de Phil. Trans. se han querido cristalizar las fortalezas, debilidades, dificultades y posibles avatares futuros de la teoría de redes complejas en las neurociencias, con el fin de comprender si se puede ir un paso más allá de donde se ha llegado”, indica David Papo, investigador del CTB y uno de los editores del número especial.

Promesas y retos

La publicación contiene artículos de revisión crítica, pero también nuevos trabajos con enfoques innovadores en el tratamiento del cerebro como una red compleja, como, por ejemplo, la utilización de potenciales evocados para el estudio de la transmisión de información a través de las conexiones entre regiones cerebrales.

Un potencial evocado consiste en una exploración neurofisiológica que evalúa la función del sistema sensorial acústico, visual, somatosensorial y sus vías, por medio de respuestas provocadas frente a un estímulo conocido.

También se combinan estudios puramente teóricos, con modelos neuronales, con trabajos experimentales o de neurociencia clínica, cubriendo de esta manera gran parte del amplio espectro de problemas que es posible atacar con este tipo de metodología.

Es probable que la TRC aumente en un futuro cercano nuestra capacidad para representar aspectos complejos de la actividad cerebral, como la interacción entre la estructura y la dinámica, o incluso identificar las reglas fundamentales que guiaron la formación del cerebro durante el curso de la evolución.

“La teoría de redes complejas podría ayudarnos también en la clasificación de enfermedades o en la predicción de la dinámica cerebral, tanto a escalas rápidas, como sucede en la percepción, como en tiempos muy lentos, como ocurre en la evolución”, afirma Papo.

“Otro de los grandes retos es el control de la actividad cerebral, con el objetivo de dirigirla hacia regímenes deseados, o incluso para la evaluación del máximo potencial del cerebro, pudiendo ayudar a averiguar lo que se puede aprender y lo que no”.

Sin embargo, no existe todavía un desarrollo formal que permita analizar este tipo de problemas que, en algunos casos, no han llegado incluso ni a plantearse. Por ello es fundamental incentivar la colaboración entre teóricos y experimentales, para poder, primero, plantear nuevos retos a los que la TRC podría enfrentarse para, después, desarrollar las herramientas de análisis que permitan resolverlos.

A la vez, no se descarta que, aunque la TRC surgió inicialmente para explicar la formación de otros tipos de redes, la neurociencia podría proporcionar una nueva revolución en la TRC, introduciendo conceptos y métodos inspirados en los procesos que ocurren en el cerebro.

Los editores del número especial de Phil. Trans. aseguran que ha valido la pena el mucho trabajo que ha acarreado su elaboración. “Lo que pensábamos que sería más difícil, al final resultó ser lo más sencillo”, afirma Buldú. “Decidimos contactar con los responsables de los mejores grupos de investigación en este campo a nivel mundial. La gran mayoría aceptó participar sin dudarlo, lo cual ha permitido confeccionar un número especial de un nivel excepcional.”

Se muestran optimistas sobre la repercusión del número y esperan que dé lugar a una nueva serie de estudios más críticos con la manera en la que este tipo de análisis teórico se aplica a las neurociencias.

Referencia bibliográfica:

David Papo, Javier M. Buldú, Stefano Boccaletti y Edward T. Bullmore: Complex network theory and the brain. Phil. Trans. R. Soc. (5 de octubre de 2014).