Unas ecuaciones revelan los ritmos rebeldes de la naturaleza

Los físicos están usando ecuaciones para revelar las complejidades ocultas en el cuerpo humano. Desde los latidos de nuestros corazones hasta el funcionamiento de nuestro cerebro, muchos sistemas en la naturaleza dependen de conjuntos de 'osciladores' perfectamente coordinados; que constituyen auténticos sistemas rítmicos que trabajan colaborativamente, como las células del músculo cardíaco.

Cuando diversos agentes actúan de esta forma, se producen grandes efectos. Por ejemplo, la cooperación entre las neuronas genera ondas cerebrales y cognición o las contracciones sincronizadas de las células cardíacas hacen que el corazón se contraiga y bombee la sangre a todo el cuerpo... Pero, a veces, estas oscilaciones no funcionan correctamente.

¿En qué consisten esos trastornos "rítmicos"? Científicos de la Universidad de Lancaster, en el Reino Unido, informaron la semana pasada en la revista Nature Communication de la posibilidad de que existan "estados vítreos" y un fenómeno al que han bautizado como "super-relajación" en las pequeñas redes de osciladores del cerebro, el corazón, y otras unidades oscilantes.

La fórmula de la sincronización

Para estudiar estos fenómenos, los científicos aplicaron un nuevo enfoque a un conjunto de ecuaciones propuestas por el científico japonés Yoshiki Kuramoto en la década de 1970. Dichas ecuaciones y sus soluciones constituyen actualmente un modelo matemático que describe la sincronización.

Con su teoría, Kuramoto demostró que era posible, en principio, predecir las propiedades de un sistema como un todo, a partir del conocimiento de la forma en que sus osciladores interactuan entre sí.

Así, al observar cómo las células del músculo cardiaco interactúan, se puede deducir si el corazón completo se contraerá correctamente, y si bombeará bien la sangre. Del mismo modo, al observar cómo las neuronas del cerebro interactúan, se pueden comprender los orígenes de fenómenos de todo el cerebro, como los pensamientos, los sueños, la amnesia o los ataques epilépticos.

Hay que recordar que las redes extensas de osciladores acoplados existen no solo en la naturaleza, sino también en muchas ramas de la ciencia -por ejemplo, los láseres no funcionarían si sus osciladores atómicos no actuasen al unísono-, por eso (también) el conocimiento de los osciladores resulta tan importante.

Fenómenos desvelados

La teoría de Kuramoto, sin embargo, ha presentado algunos problemas no clarificados durante décadas, como la existencia y propiedades de un "estado vítreo" en los osciladores, explican los autores del estudio en Nature Communication, que conlleva una descoordinación de los osciladores.

El trabajo de los físicos Dmytro Iatsenko, Peter McClintock y Aneta Stefanovska ha logrado aclarar algo justo a este respecto: ha establecido las condiciones en las que el comportamiento "vítreo" puede darse, generando un trastorno de la síncronía.

Asimismo, los científicos han descubierto un nuevo e intrigante fenómeno en las redes de osciladores, al que se refieren como "super-relajación". Consiste en la falta de interacción entre los osciladores, lo que conlleva una incoherencia, también un "desorden síncrono".

Aún más preguntas que respuestas

Estos resultados plantean preguntas intrigantes, como ¿qué significa que las neuronas de un cerebro alacancen un estado vítreo? Dmytro Iatsenko admitió que sus resultados plantean más preguntas que respuestas.

"Todavía no está del todo claro lo que podría significar si, por ejemplo, que esto ocurra en el cuerpo humano, pero si las neuronas del cerebro pueden alcanzar un" estado vítreo", esto podría tener alguna conexión fuerte con estados mentales o con determinados trastornos". explica en un comunicado de la Universidad de Lancaster.

Aneta Stefanovska señala por su parte que: "Con una población de osciladores, el momento exacto en que ocurre algo es mucho más importante que la fuerza de cualquier evento individual. Este nuevo trabajo revela cambios exóticos que pueden suceder en oscilaciones a gran escala, como resultado de las alteraciones en las relaciones entre osciladores microscópicos. Dado que las oscilaciones ocurren en miríadas de sistemas de la naturaleza y de la ingeniería, estos resultados tienen una amplia aplicabilidad".

Así que, a pesar de las cuestiones pendientes, los científicos concluyen que "nuestros descubrimientos ofrecen la posibilidad de crear estados vítreos y de observar la super-relajación en sistemas reales".

El profesor Peter McClintock añade: "El resultado de este trabajo abre las puertas a muchas nuevas investigaciones, y traerá la comprensión mejorada de varias áreas aparentemente muy diferentes de la ciencia".

Referencia bibliográfica:

D. Iatsenko, P.V.E. McClintock, A. Stefanovska. Glassy states and super-relaxation in populations of coupled phase oscillators. Nature Communications (2014). DOI: 10.1038/ncomms5118.