Las matemáticas ayudan a ubicar la consciencia en el cerebro

Cien mil millones de neuronas o células cerebrales y cien billones de sinapsis o conexiones entre ellas. Estos son algunos de los “números” de nuestro cerebro.

¿Cómo puede surgir la consciencia de esa inmensidad? ¿Cómo emerge, de un sustrato material como el del cerebro, una actividad consciente?

¿En qué consiste, en definitiva, este sistema cerebral altamente organizado –casi como una orquesta, según estudios realizados en los últimos años- que nos permite darnos cuenta de las cosas, adaptarnos al entorno, imaginar, calcular, prever, etc.? Estas cuestiones constituyen, a día de hoy, uno de los principales enigmas de la ciencia.

Algunas explicaciones

Una muestra de la complejidad de la cuestión es la diversidad de respuestas que ha generado en los últimos años.

Hay neurocientíficos que apuestan por una explicación puramente materialista. Señalan, por ejemplo, que es en el córtex cerebral donde  se genera la conciencia del entorno y de uno mismo; que la consciencia está alojada en una zona del tronco cerebral contigua a la médula espinal o que contamos con una “voz de la consciencia” gracias a la corteza prefrontal, una región del cerebro que participa en muchos de los procesos cognitivos y de lenguaje, y que está involucrada en la organización y en los procesos de toma de decisiones.

Otros especialistas abogan por una respuesta sistémica. Afirman que la consciencia en realidad se distribuye por todo el cerebro, y no se encuentra en un lugar específico de éste. Desde esta perspectiva, la consciencia humana se ha estudiado con herramientas matemáticas que permiten analizar el funcionamiento de redes complejas, como la teoría de grafos (herramienta que se usa también para describir redes sociales o rutas de vuelo).

Así se ha constatado por ejemplo que, cuando somos conscientes de algo, el cerebro entero se vuelve más conectado (todas sus áreas se interconectan entre sí), y no solo se activan en él algunas regiones específicas.

Buscando el núcleo de red

Este es el caso de una investigación realizada en 2016 por físicos de la Universidad Bar-Ilan de Israel. En ella, se utilizaron las matemáticas para determinar cómo la estructura de la red de la corteza cerebral humana puede integrar actividad consciente y datos complejos.  

Para empezar, los científicos escanearon la zona gris de la corteza del cerebro, compuesta por los cuerpos celulares neuronales (centros metabólicos de las neuronas). Esto se hizo con tecnología de imagen por resonancia magnética (IRM).

Por otro lado, los físicos usaron la técnica de imagen por resonancia magnética con tensores de difusión (ITD) para escanear la materia blanca de la corteza, formada por paquetes de neuronas.

Finalmente, con todos estos datos, compusieron una red que era una aproximación a la estructura real de la corteza cerebral humana, y le aplicaron un tipo de análisis matemático de redes.

De esta manera, trataron de descomponer las capas estructurales de nuestra red cortical en diferentes jerarquías, para identificar un núcleo en dicha red del que pudiera emerger la consciencia.

El núcleo de red y el origen de la consciencia

Estudios previos habían demostrado que la corteza cerebral humana es una red con gran cantidad de estructuras neuronales locales y conexiones directas entre ellas, incluso si dichas estructuras se encuentran alejadas entre sí. A estos centros de conectividad se los denomina “nodos”, y gracias a ellos se transmite la información por el cerebro.

En este caso, se intentaba descubrir si, de entre todas esas áreas de conexión o nodos, había una más conectada que las demás, es decir, un núcleo de red.

El modelo topológico creado apuntó a que, efectivamente, existiría un núcleo de red que incluiría al 20% de los nodos. También señaló que el 80% de nodos restantes estarían fuertemente conectados a través de diferentes capas de conexiones.

Según este modelo, la información fluiría dentro de la red cortical de la siguiente forma: Existen nodos con baja conectividad que realizan funciones conscientes específicas, como el reconocimiento facial.

A partir de ellos, la información se transfiere a nodos más conectados, que permiten una integración adicional de datos para posibilitar funciones conscientes más complejas, como la función ejecutiva o la memoria de trabajo.  

Por último, esa información integrada “viaja” a la zona de nodos con mayores conexiones, al núcleo de red, que se extiende a través de varias regiones de la corteza del cerebro.

Este modelo señala una explicación para la ubicación y el surgimiento de la consciencia en el cerebro. Según los directores de la investigación, el profesor  Shlomo Havlin y el profesor Reuven Cohenque, dicho núcleo de red tendría la función de la consciencia misma.

Una curiosidad: El cerebro no es como Internet

Una curiosidad adicional que arroja esta investigación es que se aleja del símil cerebro-Internet que en los últimos tiempos se ha utilizado varias veces, sin duda debido a nuestra tendencia a explicarnos las cosas que no entendemos estableciendo analogías con elementos cercanos.

Ya en 2010 un estudio de la EPFL de Suiza apuntaba a que el proceso de maduración del cerebro humano sería similar al desarrollo de Internet y, en otras ocasiones, algunos han aventurado incluso (quizá inspirados por la historia de HAL 9000) que Internet podría estar cobrando consciencia, dado el parecido entre su funcionamiento y el del cerebro humano.

El estudio de Havlin y Cohenque resulta tranquilizador en este sentido pues, al comparar la topología de la red cortical con la de otras redes, como Internet, ha observado que entre ellas existen al menos una diferencia notable: En la topología de la red de Internet, casi el 25% de los nodos están aislados, lo que significa que no se conectan con capas intermedias, sino solo al núcleo.

Como contraste, en nuestra red cortical apenas hay nodos aislados, es decir que, al menos por ahora, nuestra corteza está mucho más conectada y es mucho más eficiente que la Red de redes en la transmisión e integración de información.

Referencias bibliográficas:

Nir Lahav, Baruch Ksherim, Eti Ben-Simon, Adi Maron-Katz, Reuven Cohen, Shlomo Havlin. K-shell decomposition reveals hierarchical cortical organization of the human brain. New Journal of Physics (2016). DOI: 10.1088/1367-2630/18/8/083013.