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Redes complejas

Los efectos de la simultaneidad

La eliminación de sincronismos en redes puede ayudar a controlar multitudes y afecciones cerebrales

VIEW PICTURES / UIG VIA GETTY IMAGESLa sincronía en los pasos de miles de personas cruzando al mismo tiempo el Millenium Bridge, en Londres, en 2002, provocó que el puente oscilaseVIEW PICTURES / UIG VIA GETTY IMAGES

Parece haber una forma bastante sencilla de evitar que las actividades en redes tan complejas y distintas como son internet o el cerebro humano, se sincronicen, algo que les impide funcionar eficientemente. En un trabajo publicado en la revista Scientific Reports, investigadores de la Universidad Federal de Ceará (UFC) y de la Escuela Politécnica de Zúrich (ETH), en Suiza, proponen la posibilidad de romper el sincronismo de un sistema interfiriendo en algunos puntos claves, sin tener que actuar sobre el todo. “Pueden encontrarse ejemplos de sincronización en un amplio espectro de fenómenos, tales como los disparos neuronales, el destello de un láser, las reacciones químicas y la formación de opinión”, sostienen los investigadores en el artículo. “Sin embargo, en muchos casos, la formación de un estado coherente no es algo deseado y se necesita atenuarlo”.

En todo sistema que opera de algún modo como una red, es posible (y muchas veces probable) que se origine sincronismo en su actividad. Y muchas veces ese proceso es perjudicial para la continuidad de su funcionamiento. El trabajo del matemático Vitor Louzada y de los físicos José Soares Andrade Junior, Nuno Araujo y Hans Herrmann consistió precisamente en intentar desarrollar una estrategia que permitiera romper el sincronismo y mantener el sistema en condiciones saludables.

Hoy en día, cuando se habla de redes inmediatamente se piensa en computadoras interconectadas. Pero en rigor, todo conjunto de elementos conectados en que la actividad de uno influye sobre la de los demás puede tratarse, desde un punto de vista matemático, tal como una red. Un ejemplo recordado por los investigadores fue la inauguración del Millenium Bridge (el puente del Milenio), en Londres, en 2002. Una multitud se congregó en la entrada de la conexión, para cruzarlo ni bien fuera inaugurado. Cuando se autorizó el tránsito, todos iniciaron una caminata frenética por el puente y, dado el tamaño de la multitud, se originó un sincronismo entre los pasos de los caminantes. El resultado: la vibración conjunta provocó un balanceo lateral de la estructura que asustó a quienes lo atravesaban.

En otras circunstancias, la sincronización de una red puede resultar bastante más peligrosa. Ése es el caso de la afección neurológica conocida como epilepsia. Durante las crisis epilépticas, las neuronas entran en sincronismo, disparando impulsos simultáneos. El resultado es una convulsión. En el mal de Parkinson, cuando ocurre una gradual pérdida del control de los movimientos, el problema es similar: la sincronización de los disparos neuronales origina el descontrol motriz. Para combatir esos problemas, los médicos desarrollaron dispositivos conocidos con el nombre de marcapasos cerebrales que, implantados en el cerebro, emiten pulsos eléctricos que interrumpen el sincronismo y recomponen la actividad normal. Empero, esos sistemas existentes en la actualidad deben tener en cuenta todo el conjunto de la actividad cerebral antes de poder entrar en acción. El resultado de ello es una respuesta lenta y un nivel de control menos ajustado sobre la necesidad o no de intervención en la red neuronal.

La diferencia en el trabajo publicado en la Scientific Reports radica en que revela, primero en teoría y luego en simulaciones computarizadas y en experimentos con seres vivos, que es posible evitar el proceso de sincronización sin interferir en la red completa. Más allá de reducir la intervención necesaria, la respuesta puede iniciarse de manera local, sin siquiera tener en cuenta el conjunto de la red. En el estudio, los investigadores sugieren que es posible incluir en la red lo que ellos denominan como contrarios, entradas de datos puntuales que van a contramano de la tendencia de sincronización. Aplicando ese principio al ejemplo del Millenium Bridge, sería como si el gobierno hubiera contratado a algunos actores para caminar siempre fuera de sincronía con la multitud. Con unos pocos contrarios distribuidos en forma inteligente a lo largo del puente, sería posible impedir que el sistema entrase en sincronía y que el puente comenzase a oscilar.

Intervenciones locales
Lo propio vale para la epilepsia. En lugar de implantar en el cráneo un marcapasos asincrónico que tenga en cuenta a toda la red, sería factible desarrollar dispositivos diminutos que interactuaran individualmente con las neuronas y, teniendo en cuenta solamente las conexiones cercanas (el estado local), fuesen capaces de actuar como contrarios en el momento apropiado, para eliminar el riesgo de sincronización. El éxito de esta estrategia dependería de la instalación de los dispositivos en los puntos de interconexión, o hubs, las regiones que ostentan la mayor cantidad de conexiones de la red.

El grupo ensayó esa estrategia en el sistema nervioso de un gusano muy utilizado en investigaciones científicas, el Caenorhabditis elegans, cuyo organismo es relativamente simple, tratándose de un pluricelular. Con un total de alrededor de mil células, es el único organismo vivo cuyo sistema nervioso ha sido completamente mapeado. Como se conoce su red neuronal por completo, se pudo identificar dónde instalar los contrarios e impedir el sincronismo de sus células cerebrales. Según los investigadores, ésa fue una importante prueba del principio. El test reveló que los cálculos realizados por el grupo eran correctos y abrió una perspectiva para desarrollar en un futuro, marcapasos cerebrales más eficientes.

Pero aún deben superarse varios desafíos. En una red inmensa como es el cerebro humano, el desafío de identificar los hubs es bastante mayor. “La dificultad para realizar esa tarea depende de la complejidad de la red involucrada”, sostiene Andrade. “Un posible método para ubicar tales hubs sería el monitoreo espacial de la actividad del cerebro, lo cual puede revelar las regiones en que la actividad neuronal resulta típicamente más elevada”.

La aplicación de esta estrategia parece ser más simple en el caso de las redes de computadoras, por mayores que sean. Como esas redes pueden ser mapeadas con mayor facilidad, es menos dificultoso identificar los hubs e intervenir en su funcionamiento, disipando potenciales ataques de hackers que intentan sobrecargar el sistema induciendo su sincronización. En tanto, la aplicación social para este nuevo conocimiento puede resultar controvertida. Es probable que nadie se opusiera al intento de impedir que el Millenium Bridge se balanceara lateralmente. Pero, ¿qué dirían de alguien que sacase provecho de un grupo de contrarios apostados en puntos estratégicos en una platea, con la intención de impedir una estruendosa salva de aplausos?

Artículo científico
LOUZADA, V.H.P. et al. How to suppress undesired synchronization. Scientific Reports. v. 2 (658). 2012.

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