Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio encontraron un sencillo una forma eficaz de mejorar la forma en que se mide la sincronización en sistemas caóticos. La técnica consiste en agregar un parámetro constante a las "señales analíticas" de manera que enfatice ciertos aspectos de su sincronización. Esto podría mejorar las interfaces cerebro-computadora diseñadas para ayudar a las personas discapacitadas.

Los seres humanos son buenos para detectar si ocurren cosas separadas simultáneamente, por ejemplo, si dos luces parpadean juntas o no. Cuando dos columpios se mueven con un movimiento regular, es fácil saber si existe alguna relación temporal o "sincronización". Sin embargo, la trayectoria de algunos objetos, como cometas, puede ser muy complicado sin dejar de mostrar algún patrón, aunque puede ser difícil de detectar; tales sistemas se denominan "caóticos". En física, caos no significa falta de orden; indica la presencia de un tipo de orden muy complicado. El orden caótico se puede encontrar en muchos sistemas, incluida la actividad de las neuronas.

Cuando las trayectorias, que no se corresponden necesariamente con el movimiento físico y, en cambio, pueden representar señales eléctricas, son lo suficientemente complicadas, se vuelve un desafío determinar si están sincronizados. En muchos casos, sólo algunos aspectos de su movimiento pueden estar interrelacionados. Por eso, medir la sincronización es difícil y ha sido objeto de investigación durante décadas.

Generalmente, cuando una trayectoria se repite aproximadamente en un bucle, es útil considerar en qué punto de este ciclo se encuentra el sistema que estamos observando en un momento dado; a esto lo llamamos su "fase". Mientras tanto, cuando una trayectoria es irregular, el tamaño del bucle también cambia y cada ciclo puede ser mayor o menor que el anterior; esto se llama "amplitud". Estos dos aspectos son independientes y pueden extraerse de cualquier señal mediante un truco matemático llamado "señal analítica".

Medir si las fases de dos sistemas están relacionadas ("fase bloqueada") es crucial en muchos campos de interés. Obtener el grado de bloqueo de fase entre todas las combinaciones posibles de electrodos representa una buena forma de adivinar lo que alguien está pensando a través de voltajes medidos mediante electroencefalograma. Estas técnicas aún no están muy detalladas, pero puede detectar algunas formas de movimientos imaginarios como fuente de datos para interfaces cerebrales para ayudar a las personas discapacitadas.

Sin embargo, estas interfaces cerebro-computadora son generalmente lentas e inexactas. Ahora, investigadores en Japón, Polonia e Italia proponen un nuevo enfoque para medir la sincronización entre las señales del electroencefalograma. Esta investigación fue el resultado de una colaboración entre científicos del Instituto de Tecnología de Tokio, en parte financiado por la Iniciativa World Research Hub, la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia, Polonia, y la Universidad de Catania, Italia.

La idea es sencilla y consiste en sumar una constante después de calcular la "señal analítica"; esto efectivamente tiene un efecto de deformación, como se muestra en la Figura 1. Una consecuencia es que la sincronización entre las fases y amplitudes de dos señales se captura de manera conjunta de una manera que depende del valor de esta constante agregada.

El equipo de investigación analizó primero los efectos de agregar esta constante en sistemas teóricos simples antes de pasar a casos más representativos. como una red de osciladores de transistores. Luego aplicaron su enfoque a un conjunto de datos de señales de electroencefalograma para las cuales se les dijo a los usuarios que descansaran o que imaginaran moviendo la mano izquierda o derecha. La constante agregada claramente ayudó al equipo a medir la sincronización entre electrodos, permitiéndoles en última instancia aumentar la precisión de clasificación para estas acciones imaginarias.

Aunque simple, el enfoque resultó en mejoras significativas en los casos analizados por el equipo. En futuros esfuerzos, Continuarán investigando este método para que, con suerte, tenga un impacto en las aplicaciones prácticas.