40 Aniversario
Apuntes científicos desde el MIT

Apuntes científicos desde el MIT

Este Blog empezó gracias a una beca para periodistas científicos en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Boston, donde pasé un año aprendiendo ciencia con el objetivo de contarla después. Ahora continúa desde Nueva York buscando reflexiones científicas en otras instituciones, laboratorios, conferencias, y conversando con cualquier investigador que se preste a compartir su conocimiento.

Sobre el autor

Pere Estupinya

. Soy químico, bioquímico, y un omnívoro de la ciencia, que ya lleva cierto tiempo contándola como excusa para poder aprenderla.
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Neuronas codificando tiempo y ordenadores con memoria infinita

Por: | 09 de mayo de 2012

Gemma ferranEstás en la selva, oyes un ruido sospechoso, y te giras inmediatamente hacia la dirección exacta de donde vino el sonido. A tus antepasados mamíferos esta habilidad les resultó imprescindible para saber hacia dónde escapar.

Haz la prueba: Si cierras los ojos y alguien chasquea sus dedos señalarás sin problema el lugar donde se encuentra. ¿Cómo averigua tu cerebro con tanta precisión si el sonido vino de la izquierda, por detrás o más arriba? Entenderlo te puede llevar a construir ordenadores con memoria infinita.

La clave está en unos sistemas neuronales que codifican información no sólo con neurotransmisores y señales eléctricas, sino también en función del tiempo. 

La pareja de matemáticos Gemma y Ferran te lo explican desde sus respectivos departamentos de neurociencia y de nanofísica de la New York University en Washington Square.

Gemma Huguet intenta construir ecuaciones diferenciales que describan los patrones de polarización de las neuronas encargadas de transmitir sonidos en el cerebro. Cuando una onda sonora llega a tus oídos, las células ciliadas de tus cócleas vibran, transforman la señal física en estímulo eléctrico, y envían la información a un lugar muy especial de tu cerebro: El Medial Superior Olive.

Neurona medial superior oliveAllí hay unas neuronas con dentritas (brazos) hacia la izquierda recibiendo la señal de tu oído izquierdo, y hacia la derecha recibiendo del derecho. Y lo más importante: sabiendo interpretar si hay microsegundos de desfase en la llegada de la señal. Es lo que se llama coincidence detection.

Si un sonido viene desde la izquierda, la señal eléctrica llegará a las neuronas del Medial Superior Olive un poquito más pronto desde la izquierda que desde la derecha, y la activación de dichas neuronas será más o menos alta en función de este pequeño retraso. Esta información será enviada al córtex auditivo, e intervendrán muchos otros mecanismos para darle sentido. Pero es la manera básica como tu cerebro mamífero sabe exactamente el ángulo de donde le viene un ruido.

Screen Shot 2012-05-08 at 11.14.49 AMEn los pájaros es un poco diferente. Sus tímpanos y sistema auditivo evolucionaron hace 200 millones de años desde los arqueosaurios ancestros de aves, de manera independiente al oido de los mamíferos millones de años después. Pero ambos cerebros desarrollaron de manera convergente sistemas de coincidence detection.   

En el caso de los pájaros de cada cóclea salen diversas neuronas con caminos más o menos largos hacia un espacio común llamado nucleus laminaris. Allí hay una larga serie de células neuronales que sólo se excitarán cuando la señal llega simultáneamente por la izquierda y la derecha. En función del ángulo por donde venga el sonido, esto ocurrirá cuando el camino por la izquierda haya sido un poquito más corto que por la derecha, o al revés. La neurona en que coincidan será la que se activará enviando información sobre la localización exacta del ruido. En neurociencia se conoce como el Jeffress Model.

Difícil de explicar en palabras, la idea es la misma: Coincidende Detection: sistemas neuronales que saben interpretar las ínfimas diferencias de tiempo entre una señal física que llega por la izquierda y otra que lo hace por la derecha.

Es decir; se trata de neuronas codificando información en función del tiempo. Y el tiempo no es un código binario limitado a combinaciones de ceros y unos, sino una magnitud potencialmente infinita. Un retraso puede ser de 0,1 microsegundos, de 0,01, de 0,011, 0,0121… y así todos los decimales que quieras. ¿Se podría utilizar este principio para diseñar nuevas formas de computar información? Eso es lo que pretende el también matemático Ferran Macia en su laboratorio de nanotecnología 8 pisos por debajo de Gemma.

Ferran m nanoInspirados inicialmente por los procesos cerebrales de coincidence detection, Ferran y su jefe ya han patentado una especie de placas con nano-osciladores magnéticos que codifican información en función de las interferencias de ondas de spin. 

La computación basada en patrones temporales de ondas es un nuevo paradigma totalmente diferente al de las máquinas digitales. La computación y memorias actuales se basan en codificar información como combinación de 0’s y 1’s. Los chips de 0’s y 1’s están formados por diminutos paquetitos de átomos con dos estados posibles: excitado o no excitado. Esto se ha podido miniaturizar hasta extremos fabulosos. Pero en última instancia este código binario es limitado, y desde hace décadas se están buscando nuevos sistemas de codificar información que potencialmente sean más poderosos.

Los ordenadores cuánticos se pusieron de moda en los 80 con la idea de aprovechar estados atómicos de superposición cuántica, pero tras discretísimos resultados y aparición de numerosos problemas muchos grupos han abandonado esta línea de investigación. La computación por interferencia de ondas de spin que propone Ferran es un nuevo intento de vencer el límite digital. De nuevo, la idea es utilizar una magnitud continua como el tiempo en lugar de un código binario. Para ello construye capas metálicas magnéticas con puntos oscilantes que puedan generar, propagar y detectar ondas de spin. En ellas la información se codificará y guardará en función del tiempo de llegada de la señal; del retraso entre varios puntos.

Evidentemente falta mucho para una posible aplicación que compita con los exitosos chips actuales, y la investigación podría quedar encallada ante cualquier imprevisto. Pero de lograrse, sería un nuevo paradigma con el que teóricamente se podrían construir memorias de ordenador de capacidad infinita. Y todo inspirado en primera instancia por los circuitos neuronales encargados de saber de dónde viene un sonido. Quien les iba a decir a esta pareja de matemáticos cuando ella se decantó por la neurociencia y él por la nanofísica que sus caminos científicos se volverían a interconectar...

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