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El abordaje reduccionista y el determinismo biológico siguen siendo los principales paradigmas de la biología actual, incluida la neurobiología. La creencia dominante es que “cualquier cosa puede reducirse a interacciones mecánicas simples y obvias”. La idea cartesiana del hombre-máquina sigue presente en la actualidad: “La célula es una máquina, el animal es una máquina y el hombre es una máquina”1. Como alternativa a este re duccionismo mecanicista, basado en fenómenos causales químicos y físicos (mecánica clásica) que determinan que los procesos ocurran de forma predecible, hay datos experimentales que demuestran que la evolución ha podi do seleccionar y explotar características de la mecánica cuántica para un procesamiento rápido y eficiente. Por ejemplo, la coherencia cuántica se ha encontrado tanto en bacterias fotosintéticas como en algas marinas2. Otro ejemplo de dinámica cuántica en sistemas vivos se en cuentra en los fotorreceptores de la retina: con técnicas de resonancia magnética nuclear y espectroscópica de alta resolución se revelaron ondas cuánticas coherentes en la molécula de rodopsina3. También se han descrito efectos cuánticos en el sistema olfativo de roedores4,5 y en la magneto-recepción en las aves6. Fenómenos de entrelazamiento cuántico7 de larga duración en los crip tocromos de la retina parecen respaldar la sensibilidad del ojo de un pájaro a los campos magnéticos.
Es, por lo tanto, posible que existan efectos cuánticos en la interacción entre estructura y función del cerebro, es decir, que expliquen cómo de la compleja red de conexio nes neurales puedan surgir los procesos que identificamos como actividad mental y consciencia. En esta revisión nos vamos a centrar en los aspectos relacionados con el desarrollo de los procesos neurobiológicos que puedan ser relevantes para entender las capacidades mentales y la consciencia, sin entrar en discusiones más amplias acerca de la significación metafísica de la consciencia y la panspsicosis en relación con la mecánica cuántica8.
Las redes neuronales: el conectoma como sustrato de la mente
Las redes neuronales consisten en neuronas conectadas de manera no lineal, formando circuitos donde el flujo de la información se distribuye de forma progresiva con bucles de retroalimentación. Las neuronas en los circuitos establecen conexiones en función del tipo de informa ción que van a transmitir, con la formación de circuitos característicos de la especie, cuya construcción estará regulada por la información genética. El genoma codifica el patrón espacio-temporal de señales que durante el desarrollo van a guiar la formación de las conexiones entre neuronas12,13. Posteriormente, durante la vida postnatal, y sobre todo en la infancia y la adolescencia, la actividad de estos circuitos va a regular la densidad de conexiones mediante procesos de plasticidad sináptica, mantenido y aumentando las conexiones en las partes activas de los circuitos y perdiendo las inactivas14. No se ha estudiado bien cómo se determina el patrón inicial de las conexiones neuronales en un circuito y el sentido del flujo de información, aunque se sabe que los procesos de actividad espontánea en algunas regiones del cerebro en desarrollo establecen los patrones iniciales de conec tividad en circuitos lineales de conexión15,16. Por ejemplo, ondas de actividad espontánea en la retina establecen el patrón de conexión de sus proyecciones sobre el núcleo geniculado lateral y la actividad espontánea del tálamo, el patrón de la conectividad tálamo-cortical en la corteza cerebral. La actividad del circuito determinará la distribu ción de la información, creando subconjuntos dinámicos de neuronas con una conexión más densa y, por lo tanto, mayor relevancia en el procesamiento de información y en el resultado de la actividad del circuito. Los circuitos, a su vez, se conectan entre sí, creando módulos de mayor conexión de carácter multimodal (procesando diferentes tipos de información), también dependientes de la activi dad, que irán concentrando el flujo de información más compleja y se convertirán en las regiones directrices de la conducta en un momento determinado13,17 (Fig. 1).
Fig.1 Modelo de desarrollo de la conectividad en las redes neuronales. El patrón de concesiones generado bajo el control genético, se hace más complejo y plástico influenciado por estímulos externos (ambientales y del organismo) e internos (ac tividad espontánea)
El patrón de conexiones neuronales del cerebro en un momento determinado se conoce como el conectoma. Los procesos de plasticidad sináptica implican que el conec toma sea un patrón inestable, cambiante, que se adapta a las circunstancias del ambiente y que puede generar dinámicas complejas en función de las circunstancias, originando conductas muy diversas. Las respuestas del cerebro son más variables y ricas de lo esperado al ob servarlas de forma reduccionista. Debido a la complejidad estructural y plasticidad (adaptabilidad) del conectoma, es posible que, con el aumento del conocimiento de los procesos lineales (procesos que podemos definir como computacionales con resultados predecibles) que ocurren en una determinada circunstancia, podamos predecir la conducta y entender los procesos mentales. Esto implica la posibilidad de que computadores complejos, con alto poder computacional, puedan, en algún momento, de sarrollar capacidades mentales y tener autoconsciencia. Como crítica a esta posibilidad sabemos que, en términos de capacidad de computación biológica, hay regiones en el cerebro, como es el cerebelo, donde hay muchas más neuronas y circuitos que en la corteza cerebral, y su ac tividad de control del sistema motor es mayoritariamente inconsciente.
Las fluctuaciones cuánticas y las redes neuronales
En contra de la hipótesis de la explicación cuántica de la mente y la consciencia, se acepta que, en nuestro cerebro y, en general, en los sistemas biológicos que se caracte rizan por ser abiertos, húmedos y calientes, las fluctua ciones cuánticas que pueden ocurrir a nivel subatómico se auto-equilibran (cancelan) y, por lo tanto, no pueden contribuir a la dinámica funcional del órgano o sistema. Parece entonces que el sistema nervioso no puede mos trar comportamientos cuánticos a escala macroscópica, como el entrelazamiento cuántico, la superposición o la tunelización; y es por lo que la opinión predominante ha sido que los procesos cuánticos son irrelevantes para la función cerebral. Como alternativa, existen importantes trabajos que contrariamente identifican procesos de mecánica cuántica en los mecanismos más elementales de la biología y a lo largo de todo el proceso evolutivo18.
Que las fluctuaciones minúsculas de los estados fun cionales de los órganos y sistemas, incluidos los eventos cuánticos, se cancelan a nivel macroscópico no tiene por qué ser cierto en sistemas altamente no lineales, como los circuitos neuronales del cerebro. El sistema nervioso puede entenderse como un patrón jerárquico y dinámico de redes complejas no lineales de moléculas, células, circuitos y redes neuronales, englobado dentro del concepto de conectoma. Podemos aceptar que, en jerarquías interactivas con dinámicas no lineales, como el conectoma cerebral, las fluctuaciones pequeñas (in cluso infinitesimales) no se cancelan mutuamente, y que pueden incluso amplificarse. Además, las fluctuaciones cuánticas en el nivel más bajo de la escala, circuitos loca les de pocas neuronas, pueden influir en el estado inicial del siguiente nivel de la escala, a través de patrones de conexión entre módulos, mientras que los niveles más altos, áreas de conexión densa multimodal, dan forma a las condiciones límite, condiciones criticas de activación, de los más bajos. Así, esta jerarquía de redes dinámicas con muchos bucles de retroalimentación explosiona en lugar de cancelar los efectos cuánticos.
Se han obtenido evidencias experimentales de que las redes neuronales puedan producir patrones complejos de actividad colectiva, que se denominan “avalanchas neuronales”. Estas avalanchas se produ cen con un patrón de distribución característico: cada avalancha involucra a un número variable de neuronas, pero se observan muchas más avalanchas pequeñas (pocas neuronas activas) que avalanchas grandes (de muchas neuronas). Por lo tanto, el patrón de activación en las redes neuronales está cerca de las condiciones límite (que se inicie o no la avalancha) y son propensas a mostrar actividad compleja emergente al establecer combinaciones nuevas (impredecibles). Apoyando estas predicciones, mediante resonancia magnética funcional se han obtenido resultados que respaldan la criticidad de los patrones de activación cortical en el cerebro19. También ayudan a entender la generación de la activi dad espontánea que dirige la formación de patrones de conexiones neuronales durante el desarrollo20.
Dinámica funcional del conectoma: incertidumbre de los procesos mentales
En general, podemos observar tres tipos posibles de dinámicas de propagación de la información en el co nectoma cerebral: (1) dinámica ordenada/subcrítica, que consiste en actividad sincrónica oscilatoria con los rasgos característicos de alta coordinación y baja varia bilidad, no activa avalanchas y representa el substrato de conexiones funcionando, por defecto, de manera deter minista,(2) dinámica aleatoria/supracrítica, que consiste en actividad irregular asincrónica con baja coordinación y alta variabilidad, de gran variabilidad en patrones de avalanchas, ineficaces para influir en el sistema, y (3) dinámicas complejas/críticas con alta coordinación y alta variabilidad, las avalanchas son eficaces permitiendo propagación en las redes neuronales y el establecimiento de flujos de información coherentes. Por lo tanto, los estados cerebrales que exhiben dinámicas complejas/críticas son los más interesantes porque respaldan el procesamiento de información más eficiente y, sobre ellos, subyace el procesamiento de información que origina la actividad mental y la consciencia21.
En el punto crítico entre el orden y el desorden (es decir, al borde de la inestabilidad), las neuronas pueden comunicarse mejor, ya que en ese punto están coordi nadas, pero no estancadas en un determinado estado durante mucho tiempo y pueden establecer correlaciones de largo alcance, explicables por procesos de mecánica cuántica. Finalmente, en el punto crítico de aparición de una avalancha o no (¡límite entre que el fenómeno ocurra o no!), se observa la mayor sensibilidad a las pequeñas fluctuaciones del estado de excitación: incluso la perturbación de una sola neurona tiene una proba bilidad pequeña pero distinta de cero de desencadenar una avalancha.
Conclusión
La incertidumbre y las propiedades emergentes de la función cerebral son consecuencia del estado de des equilibrio crítico de la actividad en las redes neuronales del conectoma. La mecánica cuántica puede permitir desvelar la base física y química de los procesos menta les y la consciencia. En un mundo de actividad subcrítico (determinista), todo sería uniforme y predecible, no habría nada nuevo que aprender y por tanto no se necesitaría un cerebro crítico, motivado en el cambio, y plástico para adaptarse a las circunstancias. En un mundo supracrítico, todo estaría siempre cambiando sin regularidades que aprender, no hay patrones y la actividad tendería al caos. En nuestro mundo crítico (complejo e inestable), ocurren eventos sorprendentes (imprevisibles, originales), pero también hay regularidades (basadas en los límites físicos y biológicos del conectoma) que nos permiten diseñar conductas adaptativas, por lo que el cerebro necesita registrar, pero también actualizar (evocar) los recuerdos almacenados.
