Selecciona Edició
Connecta’t
Neurociència

Les neurones milloraran les xarxes que mouen el món

Un estudi del cervell mostra per què les xarxes neuronals són tan robustes

Els investigadors proposen imitar-les per evitar catàstrofes

Dues persones examinen una projecció de connexions cerebrals Ampliar foto
Dues persones examinen una projecció de connexions cerebrals U. Illinois

Tot i que de vegades no ho sembla, els humans portem damunt les espatlles l'objecte conegut més complex de l'univers: el cervell. Si poguéssim estirar tot el cablejat que hi ha entre les nostres neurones, n'hi hauria de sobres per anar i tornar a la Lluna cinc vegades. Ni les estrelles, ni les galàxies, ni el creixent trànsit aeri que cada dia recorre el planeta, ni cap altre sistema estudiable presenta més complexitat que l'encèfal. Tampoc hi ha gaires exemples de xarxes més eficients. Per això, des de fa algun temps, els científics intenten entendre millor aquest entramat natural amb 100.000 milions de neurones i 100 bilions de connexions per millorar altres xarxes artificials.

Entre aquestes xarxes hi ha la línia elèctrica, Internet, les xarxes de transports i les transaccions financeres, que en molts casos depenen les unes de les altres. Comparades amb el cervell, són molt menys eficients i pateixen errors “catastròfics”. Primer cau un node en una xarxa, després un altre a una altra xarxa connectada, i així fins a generar una cascada d'errors imparable. El 2003, un problema d'aquest tipus va deixar sense electricitat gairebé tot Itàlia. Centenars de passatgers van quedar atrapats en trens i metros, es va parar el trànsit aeri, Internet va deixar de funcionar i això, al seu torn, va fer caure més centrals elèctriques. Unes males connexions van acabar deixant sense llum 50 milions de persones i  van causar almenys tres morts atribuïbles a l'apagada.

Els experts en xarxes complexes naturals, una disciplina que uneix neurocientífics, físics i matemàtics, creuen que si les nostres xarxes artificials imitessin les xarxes naturals no passarien aquests errors catastròfics. Però, com ho fa el cervell per ser tan estable i resistent a apagades?

Avions i virus

Investigadors espanyols acaben d'aportar importants dades sobre el tema. Tenint en compte la immensitat del cervell, el primer que han fet és reduir les xarxes neuronals a esquemes de “boletes i ratlletes”, explica el neurocientífic Santiago Canals, que treballa a l'Institut de Neurociències d'Alacant. Normalment triguem fraccions de segon a veure un enorme cotxe negre que ens passa a tota velocitat davant dels ulls. Ho fem gràcies a xarxes neuronals interconnectades que capten moviment, color i forma. L'equivalent al món exterior seria la xarxa elèctrica, l'Internet i la resta de sistemes que us permeten llegir aquesta notícia o que s'asseguren que els vols arribin a temps, per exemple.

Esquema de les connexions internes d'una xarxa (vermell) i les connexions entre xarxes (blava) al cervell i en una xarxa elèctrica.
Esquema de les connexions internes d'una xarxa (vermell) i les connexions entre xarxes (blava) al cervell i en una xarxa elèctrica. Nature Physics

Fins ara, una variant de les matemàtiques coneguda com a teoria de grafs s'ha aplicat a problemes com el trànsit aeri o l'expansió de virus i epidèmies. La teoria permet redirigir el trànsit aeri a Europa si tanca l'aeroport de Barajas o Frankfurt o estimar les rutes d'expansió de l'ebola partint de la xarxa de transports d'un país. “Fins ara aquests problemes abastaven només una xarxa; ara el nostre objectiu és abordar una xarxa de xarxes”, detalla Canals. “Es tracta d'una disciplina que està naixent i el nostre treball és un dels primers que explica com connectar millor diverses xarxes copiant exemples presos de la naturalesa”, afirma.

L'equip de Canals ha aplicat models matemàtics per trobar la xarxa de xarxes òptima a prova d'errors catastròfics. “El que hem vist és que una xarxa de xarxes és estable quan els nodes tenen molts enllaços dins de la seva pròpia xarxa i, a més, els nodes que connecten una xarxa amb una altra són similars entre si”, explica Canals. El més “sorprenent”, diu, és que el seu equip ha trobat aquesta mateixa organització “òptima” en els cervells de desenes de voluntaris, tant quan duien a terme una tasca cognitiva com quan simplement es relaxaven amb els ulls oberts. La ressonància magnètica funcional els permet veure en directe com s'encenen els diferents nodes neuronals i comprovar que s'organitzen seguint els mateixos principis que predeien els models matemàtics. L'estudi s'ha publicat a Nature Physics i també hi han participat físics dels EUA, l'Argentina i el Brasil.

Conèixer el cablejat del cervell ens obrirà la porta a comprendre com es reorganitza després d'un accident i, amb el temps, a entendre la memòria o el llenguatge"

Florentino Borondo

“Les xarxes que construïm els humans estan connectades a l'atzar o en funció dels accidents geogràfics”, explica Canals. “L'estructura que hem observat podria inspirar reformes de les xarxes elèctriques, per exemple, fent que aquesta xarxa i Internet es comuniquin entre si només des de grans nodes de tipus similar [en nombre de connexions]”, detalla.

Un altre camp d'aplicació d'aquesta incipient disciplina és entendre millor malalties psiquiàtriques i neurològiques. L'equip de Canals ja ha començat a fer estudis amb animals per comprovar que hi ha malalties neurològiques i psiquiàtriques atribuïbles a males connexions que reorganitzen el cablejat del cervell.

Florentino Borondo, un matemàtic de l'Institut de Ciències Matemàtiques (ICMAT) expert en sistemes complexos, opina que es tracta d'un estudi “molt interessant”. “Totes aquestes xarxes, tant biològiques com artificials, o les socials, amics, relacions, etcètera, comparteixen certes característiques definitòries que fan que puguin ser estudiades amb les mateixes teories matemàtiques”, comenta. A part del potencial per fer més eficients les xarxes humanes, Borondo, que no ha participat en el treball, coincideix en el potencial d'aquest enfocament per entendre millor l'encèfal i les seves dolències. “Conèixer el cablejat del cervell ens obrirà la porta per entendre com es reorganitza després d'un accident, ja sigui traumàtic o vascular, i entendre amb el temps les seves funcions elevades com la memòria o llenguatge. Aquí radica la nostra essència”, conclou.

MÉS INFORMACIÓ