El ruido aleatorio, como el ruido de fondo de una llamada telefónica, suele considerarse una interferencia no deseada. Ahora, investigadores de Columbia Engineering han descubierto que el cerebro puede aprovechar las inevitables fluctuaciones aleatorias de su actividad para realizar cálculos útiles, en particular en tareas que dependen de la memoria.
Por Charles Choi, Universidad de Columbia
Estos hallazgos no sólo profundizan nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro, sino que también pueden proporcionar un modelo para construir tecnologías más inteligentes y resilientes, dice el equipo de investigación.
Detallaron sus hallazgos el 16 de enero en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
La actividad cerebral está llena de variabilidad aleatoria e impredecible. «A pesar de ello, el cerebro destaca en procesos cognitivos como la memoria y la toma de decisiones», afirma Nuttida Rungratsameetaweemana, profesora adjunta de ingeniería biomédica en Columbia Engineering e investigadora principal del proyecto. «¿Cómo lo gestiona? ¿El ruido obstaculiza o ayuda?»
Perspectivas desde la informática
Trabajos previos sobre sistemas de inteligencia artificial que imitan el cerebro, conocidos como redes neuronales, sugerían que inyectar fluctuaciones aleatorias en su actividad podría mejorar su desempeño a medida que aprendían a realizar una tarea. Sin embargo, esta investigación previa se realizó en redes neuronales relativamente simples, lo que pone en duda hasta qué punto este efecto podría influir en la vida real.
En el nuevo estudio, Rungratsameetaweemana y sus colegas desarrollaron redes neuronales biológicamente más plausibles que incluían módulos que imitaban a las neuronas excitatorias e inhibidoras, que aumentan y suprimen respectivamente la actividad general del cerebro.
«Esta investigación se basó en recursos computacionales de alto nivel proporcionados por el Laboratorio de Inteligencia de Sistemas, con el apoyo de Columbia Engineering», afirma. «Estas capacidades computacionales nos permitieron explorar dinámicas neuronales complejas con un nivel de detalle sin precedentes».
¡Que suba el ruido!
Cuando los investigadores incorporaron ruido aleatorio a estos sistemas durante su entrenamiento, «descubrimos que el ruido aleatorio, a menudo considerado como un desafío a superar, en realidad podría ser esencial para la forma en que el cerebro realiza cálculos críticos como la memoria», afirma.
En concreto, el ruido parece aumentar el tiempo que tardan en debilitarse las conexiones de las neuronas inhibidoras con otras neuronas. Este efecto de ralentización, a su vez, estabiliza los patrones neuronales de actividad relacionados con los recuerdos, ayudándolos a persistir en el tiempo.
«El cerebro no bloquea el ruido, trabaja con él, integrando la aleatoriedad para estabilizar la memoria», afirma Rungratsameetaweemana. «Para mí, este proyecto resalta la belleza de la complejidad y muestra cómo incluso lo que parece aleatorio tiene un papel significativo en la naturaleza».
«Contrariamente a la visión tradicional de que el ruido aleatorio en el cerebro debilita la memoria, este estudio revela que tales fluctuaciones pueden en realidad mejorar la estabilidad de la memoria», dice Alex Williams, profesor asistente del Centro de Ciencias Neuronales de la Universidad de Nueva York y del Centro de Neurociencia Computacional del Instituto Flatiron en Nueva York, que no participó en esta investigación.
«Este estudio es un gran ejemplo de cómo los modelos computacionales pueden brindarnos información contraintuitiva sobre preguntas científicas de larga data como, ‘¿Cómo podemos conservar los recuerdos durante muchos años o incluso décadas? ¿Qué tan confiables pueden ser nuestros recuerdos? ¿Podemos aprovechar las propiedades naturales de las neuronas, como la aleatoriedad, para mejorar el rendimiento de la memoria?'»
Próximos pasos
Estos nuevos hallazgos pueden ayudar a inspirar el diseño de sistemas de inteligencia artificial que sean más adaptables y estén mejor equipados para manejar la incertidumbre del mundo real. Estos pueden incluir robots que operan en entornos dinámicos o herramientas de atención médica que rastrean cambios sutiles y a largo plazo en los datos de los pacientes, dice Rungratsameetaweemana.
Además, este trabajo puede ayudar a los científicos a comprender el papel que puede desempeñar la variabilidad cerebral del mundo real en la cognición humana, tanto en la salud como en enfermedades como el Alzheimer, la esquizofrenia y el trastorno por déficit de atención e hiperactividad (TDAH), dice Rungratsameetaweemana.
Ella y sus colegas también quieren explorar el papel que el ruido puede desempeñar en tareas cognitivas más allá de la memoria, como la atención, la toma de decisiones o la integración de estímulos sensoriales complejos. «Estas funciones, al igual que la memoria, dependen de la capacidad del cerebro para estabilizar y procesar la información en medio de una variabilidad inherente», explica.
Además, estos hallazgos también pueden ayudar a mejorar las técnicas de neuroestimulación y neuromodulación que utilizan señales cuidadosamente controladas para interactuar con la actividad cerebral .
«Estamos especialmente entusiasmados por explorar cómo estas señales podrían funcionar en armonía con la variabilidad natural del cerebro para mejorar cálculos específicos, como el fortalecimiento de la memoria en pacientes con deterioro cognitivo», añade.
Más información: Nuttida Rungratsameetaweemana et al., El ruido aleatorio promueve dinámicas sinápticas heterogéneas lentas, importantes para el cálculo robusto de la memoria de trabajo, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). DOI: 10.1073/pnas.2316745122
