Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next
La ciencia aún no comprende bien cómo la actividad de neuronas individuales interconectadas puede conducir a los efectos que produce la anestesia, algo íntimamente ligado al fenómeno de la aparición de la consciencia y las funciones cognitivas asociadas a ella. Es posible que un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters arroje luz sobre el asunto, demostrando que sería más simple de lo que solemos pensar.
David Zhou y sus colegas de la Facultad de Medicina de la Universidad de Pittsburgh (EE.UU.) consideraron la posibilidad de que la pérdida de consciencia que provoca la anestesia general podría estar relacionada con la capacidad de la información sensorial de encontrar su camino a través de la red neuronal del encéfalo. Esta información debe ser transmitida desde el tálamo, que regula la consciencia y el estado de alerta, hasta la corteza, donde las funciones cognitivas superiores procesan la información para convertirla en nuestra representación del mundo.
Los investigadores desarrollaron un modelo simple con una red de nodos en forma de árbol, en la que una señal de entrada por el “tronco” se distribuye a las “ramas”. Cada nodo, que puede representar una neurona individual o toda una región del encéfalo, suma las señales de entrada que recibe de los nodos con los que está conectado y pasa este resultado a otros nodos.
En este modelo la probabilidad de que una señal se transmita con éxito en cualquier conexión viene determinada por un factor de probabilidad p que se aplica a la red en su conjunto. Si p es 0,6, por ejemplo, existe un 60% de posibilidades de que, en cada instante, se produzca una comunicación con éxito entre dos nodos conectados cualesquiera. A no ser que p sea cero, si una conexión de pierde en un momento, nada impide que vuelva a estar operativa al siguiente. La disminución de p simularía el efecto de la anestesia, que bloquea las señales entre las neuronas.
Los investigadores encontraron que un ordenador operando sobre este modelo, con 7381 nodos en total, es capaz de reproducir la señal del electroencefalograma característica que se registra en un paciente sometido a anestesia. El electroencefalograma de un encéfalo siendo anestesiado muestra un cambio de las ondas gamma y beta, asociadas a la consciencia, a las alfa relacionadas con la relajación y el adormilamiento, hasta las delta asociadas con el sueño profundo.
Cuando los investigadores realizaron sus simulaciones con ruido blanco como señal de entrada en el tronco, recogieron en las puntas de las ramas señales que se correspondían con la de los pacientes anestesiados. Las señales pasaban de predominantemente tipo gamma y beta a alto p (cerca de 1) a mayoritariamente alfa y delta a bajo p (por debajo de 0,5).
La entropía, un concepto de teoría de la información, de la información transmitida respecto a la introducida caía abruptamente a un valor de p de alrededor de 0,3, lo que significa que muy poca información se estaba transmitiendo en la red. Lo llamativo, sin embargo, es que lo abrupto de la transición se corresponde con la observación médica de que existe una concentración crítica del anestésico para la que se pierde la consciencia abrupta y completamente.
Existe un ejemplo físico para comprender lo que ocurre: el agua intentando pasar por una masa compacta de café molido. De la misma forma que en una cafetera el agua debe encontrar caminos continuos a través de la masa de café para salir por el otro lado, la información debe encontrar caminos continuos a través de la red, lo que resulta casi imposible a bajo p. Esta pérdida de rutas completamente conectadas es lo que se llama una transición de percolación (la misma palabra que describe el paso del agua por el café precisamente). Pero, como estamos hablando de probabilidades, siempre existe la posibilidad, incluso a baja p, de que se encuentre temporalmente una ruta por casualidad.
Lo importante y llamativo de este estudio es que un modelo sencillo, construido a partir de primeros principios, basado en una teoría muy utilizada en ingeniería, con un solo parámetro relacionado con la conectividad de la red, sea capaz de reproducir aspectos fundamentales del encéfalo anestesiado. Obviamente el modelo tal y como está no es capaz de explicar la consciencia humana; pero apunta a una línea de investigación muy prometedora.
Referencias:
Referencia: David E. Zhou et al (2015) Percolation Model of Sensory Transmission and Loss of Consciousness Under General Anesthesia Phys. Rev. Lett. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.108103
Philip Ball (2015) How Anesthesia Switches Off Consciousness, Physics, 04 Sept.
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance