Nuestro cerebro es una red muy compleja, con aproximadamente 100 mil millones de neuronas y 100 billones de sinapsis entre las neuronas. Para hacer frente a su enorme complejidad, y entender cómo funciona el cerebro y eventualmente forma nuestra mente consciente, la ciencia utiliza herramientas matemáticas avanzadas. Por último, Los científicos buscan comprender cómo un fenómeno global como la conciencia puede surgir de nuestra red neuronal.

Un equipo de físicos de la Universidad Bar-Ilan en Israel, dirigido por el profesor Shlomo Havlin y el profesor Reuven Cohen, utilizó la teoría de redes para hacer frente a esta complejidad y determinar cómo la estructura de la red cortical humana puede soportar la integración de datos complejos y la actividad consciente. El área gris de la corteza humana, los cuerpos de las neuronas, fueron escaneados con imágenes de resonancia magnética y se utilizaron para formar 1, 000 nodos en la red cortical. La materia blanca de la corteza humana, los haces de neuronas, fueron escaneados con imágenes DTI, formando 15, 000 enlaces o bordes que conectaban los nodos de la red. Al final de este proceso, su red era una aproximación de la estructura de la corteza humana. La investigación fue publicada recientemente en Nueva Revista de Física .

Estudios anteriores han demostrado que la corteza humana es una red con propiedades de mundo pequeño, lo que significa que tiene muchas estructuras locales y algunos atajos de estructuras globales que conectan áreas lejanas (similar a la diferencia entre los autobuses locales y los trenes de fondo). La corteza también tiene muchos centros, que son nodos que tienen una gran cantidad de enlaces (como estaciones centrales), que también están fuertemente interconectados entre sí, facilitando el desplazamiento entre las autopistas de la información del cerebro.

Según Nir Lahav, el autor principal del estudio, "Para examinar cómo la estructura de la red puede soportar los fenómenos emergentes globales, como la conciencia, aplicamos un análisis de red llamado descomposición de k-shell. Este análisis tiene en cuenta el perfil de conectividad de cada nodo, lo que facilita el descubrimiento de diferentes vecindarios de conexiones en la red cortical. llamamos shells ". El vecindario más conectado de la red se denomina núcleo de la red. Lahav explica:"En el proceso, retiramos diferentes capas de la red para obtener el área más conectada de la red, el núcleo. Hasta hoy, los científicos solo estaban interesados ​​en el núcleo de la red, pero descubrimos que estas diferentes capas pueden contener información importante sobre cómo el cerebro integra la información de los niveles locales de cada nodo a toda la red global. Por primera vez, podemos construir un modelo topológico completo de nuestra corteza ".

Este modelo topológico revela que el núcleo de la red incluye el 20% de todos los nodos y que el 80% restante está fuertemente conectado a través de todas las diferentes capas. Curiosamente, cuando comparamos esta topología con la de otras redes, como internet, podemos ver algunas diferencias notables. Por ejemplo, en la topología de la red de Internet, casi el 25% de los nodos están aislados, lo que significa que no se conectan a ninguna otra capa que no sea el núcleo (vea las 'patas' de la topología en forma de medusa en la figura 1, topología de la corteza humana). En la red cortical, sin embargo, apenas existen nodos aislados. Parece que la corteza está mucho más conectada y es más eficiente que Internet.

Mirando todas las diferentes capas de la red cortical, los autores pudieron definir la estructura jerárquica de la red y esencialmente modelar cómo fluye la información dentro de la red. La estructura reveló cómo los caparazones de baja conectividad son nodos que normalmente realizan funciones específicas como el reconocimiento facial. A partir de ahí los datos se transfieren a superiores, shells más conectados que permiten la integración de datos adicionales, y allí podemos ver regiones de la red ejecutiva y memoria de trabajo. Con estas áreas podemos enfocarnos en el desempeño de la tarea, por ejemplo (imagen 2, la jerarquía de la corteza humana).

La información integrada luego 'viaja' al vecindario de nodos más conectado, el núcleo, que se extiende por varias regiones de la corteza. Según Lahav, "Es un colectivo interconectado que está densamente vinculado consigo mismo y puede realizar funciones globales debido a su gran cantidad de estructuras globales que se encuentran diseminadas por todo el cerebro". (Ver figura 3, núcleo de la corteza humana.)

¿Qué función global podría cumplir el núcleo? Los autores sugieren que la respuesta es nada menos que la conciencia misma.

"La conexión entre la actividad cerebral y la conciencia sigue siendo un gran misterio, ", dice Lahav. La principal hipótesis actual es que, para crear una actividad consciente, el cerebro debe integrar información relevante de diferentes áreas de la red. Según esta teoría, dirigido por el profesor Giulio Tononi, de la Universidad de Wisconsin, si el nivel de información integrada cruza un cierto límite, se entra en un estado nuevo y emergente, conciencia. Este modelo sugiere que la conciencia depende tanto de la integración de la información como de la segregación de la información. Hablando libremente, La conciencia es generada por una estructura de red "central" con alta capacidad para la integración de información, con el aporte de subredes que contienen información específica y segregada, sin formar parte de la estructura central. En otras palabras, ciertas partes del cerebro están más involucradas que otras en lo que podemos llamar el complejo consciente del cerebro, sin embargo, otras partes conectadas todavía contribuyen, trabajando tranquilamente fuera del complejo consciente.

Los autores demuestran cómo el núcleo y las diferentes capas satisfacen todos los requisitos de estas recientes teorías de la conciencia. Los diferentes shells calculan y contribuyen a la integración de datos sin ser realmente parte del complejo consciente, mientras que el núcleo recibe información relevante de todas las demás jerarquías y la integra a una función unificada utilizando su estructura global interconectada. El núcleo podría ser, pues, este complejo consciente, sirviendo como plataforma para que la conciencia emerja de la actividad de la red.

Cuando los autores examinaron las diferentes regiones que componen el núcleo, revelaron que, Por supuesto, estas regiones se han asociado previamente con actividades conscientes. Por ejemplo, estructuras dentro de la línea media del cerebro, que forman la mayor parte del núcleo de la red, se encontraron asociados con la corriente de la conciencia y algunas investigaciones, como el del profesor Georg Northoff, de la Universidad de Ottawa, han sugerido que estas regiones están involucradas en la creación de nuestro sentido del yo.

"Ahora necesitamos utilizar este análisis en todo el cerebro y no solo en la corteza para revelar un modelo más exacto de la jerarquía del cerebro, y luego tratar de entender cuáles son exactamente las dinámicas neuronales que conducen a dicha integración global y, por último, conciencia, "dice Lahav.

"Las preguntas profundas necesitan una respuesta profunda que normalmente sólo se puede encontrar en física. La física intenta descubrir las leyes básicas de la naturaleza mediante la construcción de ecuaciones matemáticas generales que pueden describir tantos fenómenos naturales como sea posible. Estas ecuaciones matemáticas revelan aspectos fundamentales de la realidad. Si realmente queremos entender qué es la conciencia y cómo funciona el cerebro, tenemos que desarrollar las ecuaciones matemáticas de nuestro cerebro y nuestra mente consciente. Aún no estamos allí, de hecho estamos bastante lejos de este objetivo, pero siento que este debe ser nuestro 'santo grial' y ya hemos comenzado el proceso para llegar allí, " él añade.