26 de octubre de 2020
8 de marzo de 2019

Estados inusitadamente complejos emergen de simples redes sincronizadas

Estados inusitadamente complejos emergen de simples redes sincronizadas
RADIM SCHREIBER

   MADRID, 8 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores de Caltech han demostrado experimentalmente cómo una red simple de nanomáquinas sincronizadas idénticas puede dar lugar a estados complejos desincronizados.

   Las luciérnagas, las células cardíacas, los relojes y las redes eléctricas lo hacen, pueden sincronizarse espontáneamente y enviar señales al unísono. Durante siglos, los científicos se han quedado perplejos ante este comportamiento autoorganizativo, al idear teorías y experimentos que conforman la ciencia de la sincronización. Pero a pesar de los avances en el campo, los misterios aún persisten, en particular, cómo las redes de elementos completamente idénticos pueden no estar sincronizadas.

   Ahora, los hallazgos del nuevo estudio, publicado en Science, demuestran experimentalmente que incluso las redes simples pueden conducir a la complejidad, y este conocimiento, a su vez, puede llevar a nuevas herramientas para controlar esas redes. Por ejemplo, al comprender mejor cómo las células del corazón o las redes de energía muestran la complejidad en redes aparentemente uniformes, los investigadores pueden desarrollar nuevas herramientas para hacer que esas redes regresen al ritmo.

   "Queremos aprender cómo podemos simplemente hacer cosquillas, o empujar suavemente, un sistema en la dirección correcta para restablecerlo en un estado sincronizado", dice Michael L. Roukes, el Profesor de Física, Física Aplicada, Frank J. Roshek, y Bioingeniería en Caltech, e investigador principal del nuevo estudio de Science. "Esto podría quizás engendrar una forma de desfibriladores nuevos, menos ásperos, por ejemplo, para devolverle el ritmo al corazón".

   Las oscilaciones sincronizadas se observaron por primera vez desde 1600, cuando el científico holandés Christiaan Huygens, conocido por descubrir el Titán de la luna de Saturno, notó que dos relojes de péndulo colgados de un soporte común eventualmente llegarían a funcionar al unísono. A lo largo de los siglos, los matemáticos y otros científicos han encontrado varias formas de explicar el extraño fenómeno, que también se ve en las células del corazón y el cerebro, las luciérnagas, las nubes de átomos fríos, los ritmos circadianos de los animales y muchos otros sistemas.

   En esencia, estas redes constan de dos o más osciladores (los nodos de la red), que tienen la capacidad de marcar por sí mismos, enviando señales repetidas. Los nodos también deben estar conectados de alguna manera entre sí (a través de los bordes de la red), para que puedan comunicarse y enviar mensajes sobre sus diversos estados.

   Pero también se ha observado desde principios de la década de 2000 que estas redes, incluso cuando se componen de osciladores idénticos, pueden desincronizarse espontáneamente y evolucionar hacia patrones complejos. Para comprender mejor lo que está sucediendo, Roukes y sus colegas comenzaron a desarrollar redes de dispositivos nanomecánicos oscilantes. Comenzaron simplemente conectando dos, y ahora, en el nuevo estudio, han desarrollado un sistema interconectado de ocho.

   Para sorpresa del equipo, el sistema de ocho nodos evolucionó espontáneamente en varios estados exóticos y complejos. "Esta es la primera demostración experimental de que estos muchos estados distintos y complejos pueden ocurrir en el mismo sistema simple", dice en un comunicado el coautor James Crutchfield, asociado visitante de física en Caltech y profesor de física en UC Davis.

   Los investigadores esperan continuar construyendo redes cada vez más complejas y observar qué sucede cuando se conectan más de ocho nodos. Dicen que cuanto más puedan entender acerca de cómo evolucionan las redes a lo largo del tiempo, más pueden controlarlas con precisión de maneras útiles. Y, finalmente, pueden incluso aplicar lo que están aprendiendo para modelar y comprender mejor el cerebro humano, una de las redes más complejas que conocemos, con no solo ocho nodos sino 200.000 millones de neuronas conectadas entre sí por lo general por miles de bordes sinápticos.

   "Décadas después de las primeras teorías de la ciencia de la sincronización, y finalmente estamos empezando a entender lo que está pasando", dice Roukes. "Pasará bastante tiempo antes de que comprendamos la red increíblemente compleja de nuestro cerebro".