Cerebros fractales: pensamientos fractales

Investigadores de la Universidad de Cambridge dieron un gran paso adelante este año para comprender cómo funcionan nuestros cerebros. Parece que el cerebro tiene una organización fractal. Esto probablemente nos da mucho de lo que consideramos humano. Y en un nivel más profundo, estos hallazgos pueden ayudar a conectarnos de una manera muy fundamental con el resto del mundo natural.

El equipo de investigación de Kitzbichler, Smith, Christensen y Bullmore publicó sus resultados en un artículo titulado "Criticidad de banda ancha de la sincronización de red cerebral humana", que está disponible en línea de forma gratuita. He tenido el artículo por unos seis meses y he querido publicar algo sobre él. Así que, desde el principio, me gustaría agradecer a "Neel" por hacerme releer el artículo y publicar algo con una pregunta interesante que planteó sobre complejidad neurológica e inteligencia en el blog Chaotic Life en Psychology Today el mes pasado. También me gustaría agradecer a mi amigo y colega de NY, Grant Brenner, por alertarme sobre el artículo cuando salió por primera vez.

El diseño, los resultados y el contexto de este estudio son muy sofisticados, y las implicaciones son bastante abstractas. Así que haré todo lo posible para ser claro. Primero el contexto: muchos sistemas naturales exhiben la organización y el comportamiento fractal. Un fractal es una estructura en forma de rama. Piense en un árbol: (1) Los árboles tienen muchas más ramas pequeñas que las grandes. Esta característica también se denomina a veces una "ley de poder" o "ley de poder inverso" o una organización "1 / f". Cada uno de estos términos significa que hay ramas exponencialmente más pequeñas en comparación con las grandes. (2) Los árboles son "auto-similares", lo que significa que los pequeños patrones de ramificación se asemejan a los más grandes. Esta característica también se denomina a veces "invarianza de escala" o "escala libre" porque no importa el tamaño que se mire, la forma general de ramificación es la misma. (3) La complejidad de los patrones de ramificación de árboles puede ser cuantificada. Los fractales se llaman "fractales" porque existen en dimensiones fraccionarias. Una línea se ajusta perfectamente en una dimensión. Un avión (como un pedazo de papel) cabe en dos dimensiones. Los fractales encajan entre una línea y un plano (o en el mundo real entre dos y tres dimensiones). Más simplemente, porque son tan complejas, con un gran número de pequeñas ramas, los árboles nunca llegan a tres dimensiones. Si los pones en una caja, siempre quedará algo de espacio.

Puede reconocer rápidamente que muchas otras estructuras naturales, además de árboles, son fractales: neuronas, ríos, sistema respiratorio, sistema circulatorio, fallas geológicas, copos de nieve, etc.

Los sistemas naturales también producen un comportamiento fractal en el tiempo o en la dinámica. Los terremotos son un ejemplo común. Hay muchos más terremotos pequeños que grandes (lo cual es bueno por cierto). Otros ejemplos incluyen el tamaño de los eventos de extinción en especies animales, el número de publicaciones académicas (algunos investigadores hacen grandes cantidades de trabajo y el resto lo hacemos un poco), números de visitas a sitios web, tiempos de espera en stop-y -go tráfico y uso de palabras en la literatura (es decir, la ley de zipf).

¿Por qué los sistemas hacen esto? Hay muchas razones. Esencialmente, los sistemas fractales tienen muchas oportunidades de crecimiento, cambio y reorganización. Sin embargo, también son muy robustos. Mantienen su coherencia; se mantienen bien juntos, incluso en circunstancias difíciles. Están equilibrados en este respecto, entre el orden y el caos. Son simples, pero también muy complejos. Este equilibrio a menudo se denomina "criticidad", de ahí el título del artículo: "Criticidad de banda ancha". Y el término "autoorganizado" a menudo se agrega porque los sistemas tienden a convertirse en fractales por sí solos, simplemente poniendo una gran cantidad de componentes del sistema juntos y les permite intercambiar información. Piensa en una fiesta. Todo lo que tiene que hacer es crear suficientes personas en el mismo lugar y tiempo y comenzarán a formar patrones complejos de conexión entre sí.

Los sistemas críticos autoorganizados también son muy buenos para conectarse, tanto internamente como a otros sistemas circundantes. Las ramas de un árbol están conectadas de una manera muy hermosa. Si sacudes una rama, verás una gran sacudida en el árbol. Las estructuras fractales se juntan muy bien. Sin embargo, las ramas se pueden recortar sin afectar la estructura general. De hecho, si los recorta lo suficientemente lejos (por encima del brote de crecimiento, "crecimiento postraumático" o "lo que no lo mata lo hace más fuerte") a menudo se volverán aún más fuertes, con conexiones más complejas en las ramas externas. Finalmente, los patrones tipo bifurcación se conectan fácilmente a otros sistemas, una red de vida literal. Un árbol con muchas ramas fractales (y también raíces) puede conectarse mejor con el sol (y el suelo) para recolectar e intercambiar nutrientes que lo mantengan vivo.

En los últimos 10 a 20 años, los investigadores en psicología han encontrado cada vez más ejemplos de patrones fractales en cada uno de los dominios de la psicología: incluidos los comportamientos intencionales, la búsqueda visual y los patrones del habla. En mi propio laboratorio, en los últimos años, hemos descubierto que las relaciones interpersonales están organizadas como fractales y, más recientemente, que el concepto de sí mismo es un fractal, y que la complejidad se asocia con la salud tanto en el dominio psicológico como en el social. Además, parece que la complejidad fractal (o rigidez) se intercambia rutinariamente entre procesos biológicos, psicológicos y sociales. La estructura de la personalidad fractal nos ayuda a crecer y conectarnos, al igual que las relaciones fractales, y cada uno probablemente tenga influencias directas en la salud física al fomentar la integración y la flexibilidad entre los sistemas circulatorio, respiratorio e inmune.

El estudio de Kitzbichler et al (2008) se ha sumado a mucha investigación anterior que sugiere que el cerebro exhibe un comportamiento fractal. Esto crea un vínculo necesario entre los procesos físicos del cerebro y cada uno de los fractales de mayor escala que vemos en una personalidad más amplia y relaciones sociales. Está claro que las dinámicas biológicas, psicológicas y sociales están muy interrelacionadas a través de las escalas, y cada una de ellas afecta al otro a lo largo del tiempo de innumerables maneras. Con la organización fractal en cada una de estas escalas, se puede proponer que, en algunos aspectos, todos son parte del mismo árbol fractal, por así decirlo.

Kitzbichler y otros (2008) utilizaron dos medidas de sincronización en los sistemas cerebrales: (1) el "intervalo de bloqueo de fase" y la "labilidad de la sincronización global". El intervalo de bloqueo de fase es la cantidad de tiempo que las diferentes regiones cerebrales están haciendo lo mismo juntos: la cantidad de tiempo en el que están sincronizados. Esencialmente, esta es una medida basada en el tiempo de la coordinación del sistema cerebral. La otra medida, "labilidad de la sincronización global" es una medida basada en el espacio. Esta medida te dice cuán globales son los cambios en la sincronización del sistema cerebral, qué tan amplios son, qué tan lejos están.

Dejando a un lado los muchos detalles técnicos maravillosos de sus análisis, descubrieron que ambas medidas mostraban patrones fractales claros. Esto significa que la cantidad de tiempo que diferentes regiones del cerebro pasan sincronizadas es similar a una ramificación, con muchos tiempos de enlace cortos y menos largos. Y la propagación de estos vínculos a través de las regiones cerebrales también fue ramificada, con muchos pequeños diferenciales y pocos grandes.

Estos resultados, junto con la evidencia que les ha precedido, proporcionan una imagen mucho más cierta de cómo se organiza el cerebro y cómo funciona. Tal es el núcleo de la investigación básica. Las aplicaciones de estos resultados pueden considerarse virtualmente ilimitadas, y con el tiempo afectarán a todas las ramas de la neurociencia aplicada: inteligencia, conciencia, empatía, medicina del cuerpo y la mente, psiquiatría y psicoterapia.

En cambio, preferiría especular sobre las implicaciones más amplias. De hecho, lo que estos resultados robustos en el cerebro sugieren es un posible mecanismo para la "conectividad de banda ancha" que compartimos con el resto del mundo natural. Dado que las dinámicas fractales en la sincronización de banda ancha existen en todas las escalas de realidad cuantificable, desde cuánticas hasta cósmicas, tal vez la conciencia humana sea tanto simple como profundamente un portal a través del cual fluye dicha conectividad fractal. Quizás los vínculos que tanto afectan nuestro crecimiento e integración en las escalas biopsicosociales se extienden mucho más profundamente en las raíces de la materia, y mucho más en el cosmos de lo que la ciencia moderna ha imaginado. La ciencia parece acercarse a un período de neo-vitalismo, con formas científicamente fundamentadas de explorar la cosmovisión atractiva de nuestras civilizaciones de raíz: que todo en la vida está conectado y que todo el universo está vivo dentro de estas conexiones.

Claro, algunas conexiones son más proximales que otras. Kitzbichler et al. encontraron que las regiones del cerebro funcionalmente conectadas tenían más probabilidades de encontrar y mantenerse sincronizadas entre sí por períodos de tiempo más largos, produciendo medidas de complejidad fractal que eran menos flexibles que las conexiones entre regiones más distantes. Del mismo modo, es más probable que el compañero de vida de uno te vuelva loco que a la luna.

Sin embargo, será interesante ver si ciertos estados sistémicos fomentan la coherencia, magnificando las conexiones entre sistemas aparentemente separados. Por ejemplo, la respuesta al estrés humano es un candidato probable para aumentar la coherencia a corto plazo entre los procesos biológicos, psicológicos y sociales. Cuando estás estresado, tus sistemas corporales se unen, tus sistemas psicológicos se vuelven claros y centrados, y tus dinámicas sociales se vuelven coherentes al tiempo que te unes y formas estrictas jerarquías de liderazgo. ¿El estrés humano tiene impactos más amplios? ¿Se puede medir su efecto incluso en el ámbito cuántico? Por el contrario, ¿pueden los sistemas cuánticos "estresarse" y llevarlos a alcanzar nuestro mundo macro? Quizás sea así, tal vez no. Una cosa es segura, este blog ya es demasiado largo y abstracto para considerar completamente estas posibilidades. Tal vez otro día …?

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