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» » Ciudades y cerebro: ¿Se parecen las redes urbanas y las neuronales?

En su nivel más básico, el cerebro se compone de neuronas. Colectivamente, esas neuronas comprenden los dos principales tipos de tejido cerebral: la sustancia blanca, que se compone principalmente de los axones, y la materia gris, compuesta por las sinapsis o conexiones entre neuronas. [1]

La materia gris se destaca por separado de la materia blanca, y luego se combinan ambas imágenes

La materia gris existe como una hoja delgada y relativamente plana que cubre el cerebro, y se conoce como la corteza. Al comparar los cerebros de diferentes especies de mamíferos, se encuentra que hay ciertas medidas de la estructura cerebral que, proporcionalmente, se mantienen de manera similar. En otras palabras, las variables como el volumen de materia gris, el número total de sinapsis, el volumen de materia blanca, el número de neuronas, la superficie, el diámetro del axón y el número de distintas "áreas" corticales comunes, mantienen relaciones matemáticas entre sí, tanto si buscamos en los cerebros de los ratones, conejos, perros, gatos, hienas, canguros, murciélagos, osos perezosos, bonobos o humanos. Por ejemplo, comparando los cerebros de diferentes especies de mamíferos, por cada S unidades adicionales del área de superficie cortical, hay un número de neuronas adicionales N igual a S0,75, multiplicado por una constante b. En otras palabras, a medida que aumenta S, N (el número total de neuronas) aumenta en la proporción S0,75.


Los detalles no son importantes, así que vamos a hacer esto un poco menos opaco matemáticamente: existe una relación entre el área de superficie cerebral y el número de neuronas del cerebro, esta relación puede describirse con el número 0,75. De igual modo, existe una relación entre el área de superficie cerebral y el número de sinapsis en el cerebro, y esta relación puede describirse con el número 1,125. Hay un número similar que describe la relación entre el área de superficie cerebral y el número de sinapsis por neurona, también para el diámetro medio de los axones de la sustancia blanca, para la velocidad media a la que viaja la información a lo largo de los axones, y así sucesivamente.

Es posible que estas relaciones matemáticas, o leyes de escala, sean una consecuencia de la selección evolutiva de una estructura laminar (hay que recordar que la corteza o materia gris del cerebro, existe como una hoja delgada que cubre toda la parte superior del cerebro). Ello hace posible que una delgada hoja, que represente una estructura especialmente económica, ya que permite simultáneamente un alto nivel de interconexión a través del cerebro y un bajo nivel de energía, requerido para apoyar dichas interconexiones.

Muchas de estas redes han sido comparadas con los sistemas urbanos. ¿Recuerda lo que en Internet se conoce como la superautopista de la información? Pues unos profesores de biología  han estado comparando el funcionamiento de las células con el de una ciudad desde hace décadas. ¿Hasta qué punto puede parecerse un cerebro a una ciudad?

En defensa de ciudades y cerebros
Hay una analogía que parece obvia: las neuronas son como autopistas. Son canales que llevan la información, en forma de señales eléctricas, de un lugar dentro del cerebro a otro, mientras que las carreteras son los canales que transportan personas y materiales de un lugar a otro dentro de una ciudad. Los científicos cognitivos Mark Changizi y Marc Destefano piensan que la analogía es más profunda: "Desde la perspectiva de la ciudad, en su conjunto, los materiales y las personas que transportan las carreteras son básicas para el funcionamiento a gran escala que se lleva a cabo en la ciudad y, en cierto sentido, son señales, el que una señal sea eléctrica y la otra física deja de tener importancia en lo que respecta a las propiedades fundamentales que las rigen."

Y eso no es todo. Ellos argumentan que la organización de la red de carreteras de la ciudad está dirigida en el tiempo por las fuerzas políticas y económicas, más que un plan explícito basado en los principios de ingeniería de carreteras, lo que significa que los sistemas de carreteras de la ciudad pueden estar sujetos a una forma de presión de selección similar a la presión selectiva ejercida sobre los sistemas biológicos. Las ciudades mismas, también están bajo presión selectiva en su conexión con otras ciudades, a través de carreteras y caminos, una ciudad inaccesible no puede sobrevivir. Las ciudades, a su vez, son un modelo adecuado para la comparación con el cerebro, ya que se hallan en la superficie de la tierra como la estructura de una lámina, igual que la corteza cerebral.

"Casi la mitad de los 6,6 mil millones de habitantes del mundo viven en ciudades", dicen, "y las ciudades son cada vez más grandes y densamente pobladas. El buen funcionamiento de una ciudad requiere que las personas y materiales se muevan rápidamente a través de ella". Las poblaciones de las ciudades tienden a aumentar con el tiempo, y a un ritmo más rápido que el área de superficie de la ciudad, esto significa que, un sistema eficiente de carreteras debe evolucionar continuamente desde los sistemas preexistentes. Las ciudades comienzan a parecerse cada vez más al cerebro. ¿Es posible que los sistemas de carretera de la ciudad y los de la corteza de los mamíferos sigan leyes similares de escala? Si esto es así, podría ser que la organización del cerebro sólo sea un ejemplo de un tipo más general de estructura halladas en la naturaleza. Changizi y Destefano recogieron datos de 60 ciudades en los Estados Unidos, en una amplia variedad de lugares geográficos y tamaño de población.

Número de carreteras y número de neuronas
Las ciudades tienden a organizarse en círculos concéntricos alrededor de un centro urbano. Algunas carreteras, las 'radiales', se extienden hacia fuera desde el centro de la ciudad, mientras que otras carreteras (las 'anulares', circunvalaciones) permiten viajar por todo el perímetro del centro de la ciudad. La relación entre la superficie y el número de carreteras de las ciudades puede ser descrita con el número 0,759. Y esto es asombrosamente parecido al número que representa la relación entre la superficie del cerebro y el número de neuronas: 0,75 .

El sistema de organización de carreteras radiales y anulares del sistema se hace evidente en Houston, Texas, pero se puede ver fácilmente en la mayoría de las grandes ciudades. Puedes verlo en Google Maps y probarlo.


Número de salidas de autopista y el número de sinapsis
Tal y como la información viaja a lo largo de una neurona, y sale finalmente en forma de neurotransmisores [2] y se transfiere la información a una nueva neurona, del mismo modo, los coches viajan por las carreteras, y salen a través de las intersecciones. Changizi y Destefano han calculado que el número que representa la relación entre la superficie y la densidad de salidas de autopista está entre 1,066 y 1,210. Si se trata de área de superficie cerebral y el número total de sinapsis, el número es 1,125, que viene a ser el medio de la gama de salidas de la autopista.

Curiosamente, el número de códigos postales y el número de escuelas secundarias públicas pueden escalarse igual que el número de salidas, lo que significa que su densidad en superficie aumenta (1,084 para los códigos postales, y 1,120 para las escuelas), de la misma forma que las salidas de las autopistas (aproximadamente 1,183) expanden los límites de una ciudad.

Imagen : El número intersecciones de salida de una carretera aumenta a 1,138 la capacidad del área de superficie terrestre.

Número de carriles de carretera y diámetro de los axones
Una propiedad importante de los axones neuronales es que muchos de ellos están mielinizados. La mielina es una sustancia blanca que recubre los axones de las neuronas, dándole nombre a la "sustancia blanca". La mielinización permite una transmisión más rápida y eficiente de la información a través de los axones. Del mismo modo, el incremento del número de carriles en una carretera permite un transporte más rápido y eficiente de personas por toda la ciudad. Cuando aumenta el área de superficie, el número de carriles de la carretera se incrementa en un factor de 0,174. Cuando aumenta el área de superficie cerebral, el diámetro del axón aumenta sólo en un factor de 0,125, algo más lento de lo carriles de la carretera. Changizi y Destefano señalan, sin embargo, que esto puede ser debido al hecho de que los axones existen en tres dimensiones, mientras que las carreteras están limitadas sólo a dos. Por lo tanto, para el mismo aumento de eficiencia, la carretera tendría que ampliarse relativamente más rápido que un axón. Así pues, el número de carreteras respecto al número para los axones, es mayor de lo que se esperaría.

Imagen : El cierre de la I-405 es muy raro en Los Angeles, pero durante dos días en julio de 2011, la autopista estuvo cerrada como parte de un proyecto de expansión que duró varios años, esto sometió a sus pobladores a un estado de pánico.

Velocidad de desplazamiento por la ciudad y velocidad de conducción a través de los axones
Changizi y Destefano medieron la velocidad de desplazamiento por la ciudad mediante la adopción de la distancia recorrida, dividida por la duración de viaje, y un promedio teórico entre dos viajes: uno a través del eje mayor de cada ciudad, y otro por un eje corto. El número que describe la relación entre el área de superficie y la velocidad de desplazamiento fue 0,108. Para la corteza cerebral, la velocidad a la que viaja la información por los axones se describe con el número 0,125, una diferencia de tan sólo 0,017.

Área de superficie del sistema de carreteras y área de superficie de los axones
Conforme las ciudades crecen, el área de superficie de carreteras aumenta en un factor de 1,433. El área de superficie total de los axones de la sustancia blanca, puede ser calculado multiplicando el número de neuronas, la longitud de los axones de la sustancia blanca y el diámetro del axón. Por tanto, el área de superficie derivada de los axones, en escala con un área de superficie cerebral, nos da un factor de 1,375. De nuevo, ambos factores están muy cercanos.

El tamaño de la población y el volumen de axones de la sustancia blanca
El número que representa la relación entre la población de una ciudad y su área de superficie es 1,462, lo que significa que la población aumenta más rápidamente de lo que las ciudades puedan crecer en superficie para acomodarlos. ¿Cómo se adaptan las grandes ciudades al rápido incremento de tamaño de la población? Changizi y Destefano especulan que, dado que este número está muy cerca del número del área de superficie de carreteras (1,433), es posible que este último y el tamaño de la población aumenten casi linealmente. Esto sugiere que "en lugar de que la superficie de área de la ciudad dirija a la población, sea la población la que esté impulsando el área de la superficie total de las carreteras, como si cada persona requiriese una cantidad alícuota fija del área de superficie de carreteras (por ejemplo, el área requerida por un coche para un viaje seguro)."

Una hipótesis alternativa es que en lugar de escalar con la potencia 1,462, la escala real de la población estaría más cerca del 1,5 (que está dentro del margen de error derivado por el test estadístico que dio lugar a la medida 1,462). En este caso, el volumen total de axones de la sustancia blanca se escala a la potencia del 1,5 propio del área de superficie cortical.

Imagen : La población aumenta rápidamente en relación con el área de superficie terrestre de las ciudades. Ten en cuenta el 1,462 de la ecuación, arriba a la izquierda.

Las áreas de la ciudad y las áreas corticales
Una característica importante del cerebro es que la corteza se divide en regiones distintas, y tienen diferencias físicas en la forma en que se organizan, existen diferencias funcionales en función de qué tipo de operaciones realizan. Esto significa que las neuronas en la "vecindad" inmediata, probablemente funciona sobre el mismo tipo de problemas, las áreas funcionales del cerebro, tal como el "área fusiforme facial" o la "corteza visual" hace de esto una especialización funcional clara. Ciertos problemas se pueden resolver dentro de un área única, en lugar de requerir la cooperación a lo largo de grandes extensiones neuronales. Para el cerebro, la relación entre número de áreas corticales y el área de superficie cortical puede ser expresada por el número 0.375.

Resulta bastante obvio que las ciudades también se compartimentan así. Por ejemplo, Changizi y Destefano apuntan que, "la tendencia a ser un distrito comercial central, en lugar de encontrar este tipo de empresas distribuidas uniformemente por toda la ciudad. La compartimentación suele tender a minimizar los costes de una infraestructura necesaria cerca de los negocios, así como reducir al mínimo los gastos de viaje para las interacciones comerciales e infraestructura, manteniendo los viajes cortos y las calles de superficie dentro de cada área de especialización funcional.

Si las ciudades están diseñadas para mantener los viajes locales en las calles de la superficie, en tanto  se reservan los viajes por carretera para otros fines, entonces podría ser que las ciudades están compartimentadas de la misma forma que el cerebro, en diversas áreas de especialización funcional. El problema reside en que no está claro cómo medir la compartimentación interior de las ciudades. Una de las posibilidades sugeridas por Changizi y Destefano, es enfocar en los círculos concéntricos que rodean un centro de ciudad. Por ejemplo, el mapa de Houston de más arriba muestra cuatro secciones de anillos concéntricos. Usando este método de compartimentación, la relación entre el número de áreas de la ciudad y el área de superficie de la ciudad se expresaría con el número 0,390. Y así es, tentadoramente cerca del 0,375.

Leyes de escala comunes a cerebro-ciudad
"Las ciudades no son cerebros", dejan claro Changizi y Destefano en su artículo “and the metaphor can only be pushed so far”. Por ejemplo, las carreteras tienen intercambios, donde los conductores pueden hacer transiciones de una a otra, aquí no hay una analogía neural para ello. Dicho esto, las similitudes entre la forma en que crecen en escala tanto lo cerebral como las ciudades tampoco deben ser ignoradas. El hecho que estos dos tipos de redes, tan diferentes, sean tan similares en su escala, sugiere que son ejemplos de un tipo más general de red que podemos encontrar en otros lugares de la naturaleza.



Tal como los ingenieros buscan en la biología tratando de encontrar respuestas para otros tantos problemas de la sociedad, como pueden ser los diseños de paneles solares según el modelo de las hojas de los árboles o submarinos inspirados por los peces, los planificadores urbanos y los ingenieros de caminos debe mirar en la estructura cerebral de los mamíferos en busca de respuestas a estas preguntas sobre las ciudades que, inevitablemente, enfrentarán al crecimiento de la población, y el número de automóviles, con el incremento de la superficie de carreteras.





  • Artículo de Referencia: ScientificAmerican.com, G. Por Jason Goldman, 18 agosto 2011
  • Citas originales: [1] Para una introducción a las neuronas . [2] Neurotransmisores .
  • Referencias: Changizi, M., & Destefano, M. (2009). Common scaling laws for city highway systems and the mammalian neocortex Complexity DOI: 10.1002/cplx.20288 .
  • Imágenes: La sustancia blanca/gris; mapa de Houston vía Google Maps; Carmaggedon foto de Enrique Gutiérrez. Foto del centro de Los Ángeles por la noche es del autor del artículo. Todas las demás imágenes de Changizi y Destefano (2009).
  • Autoría: Jason G. Goldman es estudiante graduado en psicología en la Universidad del Sur de California, donde estudia los orígenes evolutivos y de desarrollo de la mente humana y animal.
 

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