I --Temas previos
1.
BIOTERMODINAMICA DEL CEREBRO, UNLu (1997)
Raul H. Barral y Carlos H. von der Becke
BIOTERMODINAMICA DEL CEREBRO
INTRODUCCION
.
El objetivo más amplio de este trabajo es el de hallar una
explicación simple, inspirada en el Principio de Parsimonia o Navaja
de Occam, de la operación del cerebro humano para tareas de muy
distinto nivel, como ser la de rechazar o aceptar un alimento (nivel de
biosupervivencia) o la de demostrar un teorema nuevo (nivel conceptual)
segun el APENDICE I. Es útil recurrir para ello a las nociones
desarrolladas por la termodinámica.
El plan general es inicialmente introducir los conceptos
termodinámicos para condiciones alejadas del equilibrio y cercanas a
una transición de fase (o sea, a un cambio en el ordenamiento) y los
conceptos de la sinergética (ciencia de las autoorganizaciones) que
sirvan de marco teórico al intento, continuando con un modelo
organizativo del cerebro para funciones intelectuales superiores, que no
deje de lado iluminar la cascada de sensaciones asociadas con la ingesta de
un alimento.
1. �Sigue la naturaleza las reglas más sencillas?
2. Complejidades biotermodinámicas.
3. Termodinámica del equilibrio y apartada del mismo.
4. Termodinámica lineal del desequilibrio.
5. Termodinámica no-lineal del desequilibrio.
6. Complejidad.
7. Entropía, información y complejidad.
8. Punto de partida para una biotermodinámica.
9. Entramado entre coevolución y biotermodinámica y temas
afines.
10. Orden por fluctuaciones en biología.
11. Principio esclavizador de la sinergética.
12. Energética de la preparación y de la deliberación.
13. Una teoría unificada del conocimiento (SOAR).
14. Modelo de computación colectiva de una red.
15. Mecanismos hebbianos.
16. Visión evolucionaria de las arquitecturas de una red neural.
17. Neurohumores en la hendidura sináptica.
18. Respuesta neuronal instantánea y retardada.
19. Bioenergética de las etapas de ensoñación, vigilia
y pensamiento.
20. Redes neuronales humanas y redes neurales artificiales.
21. Modelo.
22. Ejemplo.
23. Cálculos hasta la inflexión de la energía de
cómputos.
24. Rutas entrópicas de necrosis del pensamiento.
25. Cálculos hasta la maduración del pensamiento.
26. Discusión.
27. Cascada de sensaciones asociadas con la ingesta de alimentos.
28. Conclusiones.
APENDICES
1. Hipotéticos niveles para la operación del cerebro humano.
2. La "termodinámica de las curvas"
3. Sinergética de los dedos índice
4. Biología del aprendizaje
5. Compuestos neuroquímicos.
6. El neurohumor serotonínico.
7. Sentimientos de base cognitiva.
8. Creatividad y racionalidad.
9. Impasse de Newell.
2.
1. �SIGUE LA NATURALEZA LAS LEYES MAS SENCILLAS?
Introducido el tema más complejo de la ciencia, el de la
comprensión del cerebro, es conveniente buscar como primera
aproximación válida el de plantearlo a la luz de las
hipótesis más simples capaces de explicar su carácter
misterioso. El dual de esa búsqueda de las hipótesis
más sencillas fue propuesto por Guillermo de Occam, filósofo
del siglo XIV, como parte del método científico.
Consistía en utilizar como regla de decisión entre varias
hipótesis, la que resulte más simple, lo cual no implica
asegurar que la Natura siga esa vía. (Losee, Machine Learning, 12,
87, (1993)). Como explica Leibniz, saber cuál es el punto de vista
más simple requiere cierta sutileza.
Por ejemplo, P. A. M. Dirac, quizás porque en su esquema
reconocía a Dios como matemático, tendía a resolver
sus problemas buscando la solución más simple, y por ello
tambien la más elegante. Su postura era la de preferir la
teoría bella en lugar de la desagradable, aunque la última
ajustase mejor los datos experimentales. (Cohen y Stewart, p.225). No
sólo Dirac, sino tambien Einstein, Mendeleieff y Mendel son
especialistas en grandes simplicidades.
Las asombrosas Teorías de Todo (Theories of Everything) proponen que
algunos sistemas complejos tienen como dual un elemento simplísimo.
(Mukerjee M, Sci Am, 274, 1, p.88, 1996)
Es entonces aceptable incursionar en las leyes energéticas de
aplicación general, inclusive las correspondientes a los sistemas
complejos, adaptivos, no-lineales, autoorganizados y abiertos que operan
en condiciones muy alejadas del equilibrio, donde, por mérito propio,
se ubica un cerebro vivo.
Primitivamente la ciencia explicaba el cerebro como un mecanismo de
relojería, que era la tecnología de punta en otra
época. Ahora lo hace recurriendo a los conceptos de la
informática, tan actuales. En este texto se lo compara con Intranet,
término nacido a mediados de 1995. Es entonces posible modernizar
los enfoques termodinámicos, que en su hora también fueron
fuertes inspiradores de explicaciones, por otros de reciente desarrollo,
siempre en la biotermodinámica, cuyas leyes adoptan formas m�s
sutiles que las conocidas durante las primeras décadas del siglo.
Esos sistemas autoorganizados encuentran tambien sus raíces en esta
nueva biotermodinámica. La autoorganización es parte
simplificadora de la ley evolutiva general que incursiona en el campo
biológico, siendo la otra parte la selección natural
clásica (Stuart Kauffman).
Como tema afín se puede traer a colación la así
llamada teoría de la recapitulación o ley biológica de
von Baer, que en su redacción moderna asevera que en el estado
embrionario, un ser vivo parece recapitular toda la evolución, o sea
parece pasar por los estadios evolutivos intermedios de sus ancestros,
aunque puenteando soluciones intermedias que no son energeticamente
satisfactorias. Con esta importantísima corrección, que tiene
en cuenta al recurso escaso, la bioenergía, el embrión ya no
reproduce todas las etapas evolutivas. Al omitir algunas y perfeccionar
otras, logra un desarrollo con menores requisitos energéticos. Esta
ley biológica se refiere a evolución en la etapa embrionaria
de especies ligadas geneticamente, no en la etapa madura.
- MAYR A - The
Growth of Biological Thought, Harvard U. Press, Cambridge (1982);
- COHEN J,
STEWART I - The Collapse of Chaos, p.111
Esto es un ejemplo de ley sencilla, de esas que la ciencia debe preferir
3.
encontrar, independientemente de si la
naturaleza al final la siga o nó, importante detalle que configura
un avance científico una vez cumplida la primera prioridad. Nadie
renuncia a que la ciencia, instalada, como está, en un marco de
referencia de base matemático-físico-químico
biológico, se ocupe, a partir de ese punto de vista, del orden
universal de los sistemas y de los fenómenos (Jorge Wagensberg,
Ideas sobre la complejidad del mundo, Tusquets Editores, Barcelona, 1985).
No es aconsejable desarrollar teorías aisladas de cada componente
del cerebro, que a posteriori no puedan ser integrables mediante, por
ejemplo, un enfoque global como el proporcionado por la
biotermodinámica. Por el contrario, debiera, más bien,
construirse una teoría donde los nuevos aportes puedan integrarse en
forma constructiva. (Barbara Hayes-Roth, IA, p. 371). La
biotermodinámica brinda un cuerpo de conocimiento apto, por su
generalidad, para procesar y relacionar novedades enriquecedoras.
El intento de abarcar con hipótesis simples la complejidad del
mundo, se denomina de diversa manera, ya sea como principio de parsimonia,
principio de la navaja de Guillermo de Occam, o principio de la
codificación de longitud mínima.
Aunque los datos que emergen del cerebro son complicados (lo refleja
cualquier electroencefalograma), quizás las reglas que los expliquen
sean simples. Lo complicado no necesariamente significa que se ha partido
de un conjunto complejo de reglas. El propósito es modelizar algunas
simplicidades que sirvan de pistas cuando de un conjunto de presupuestos
simples se observa la emergencia de una totalidad compleja (Cohen y
Stewart, p. 198). Si el estudio a encarar muestra a la postre una
complejidad mayor a la imaginada por la intuición, eso no quita que
esa complejidad resulte de un conjunto simple de reglas, que el
análisis debe despejar.
2. COMPLEJIDADES BIOTERMODINAMICAS.
*El cerebro humano es un sistema altamente complejo, dado el alto grado de
diferenciación y de organización de sus componentes. Contiene
10^11 neuronas y cada neurona se une mediante 10^3 o 10^4 hendiduras
sinápticas o conexiones con otras neuronas. La mitad de los genes
del genoma de mamíferos codifica al sistema nervioso. (Sutcliffe JG
- Am. Rev. Neurosci., 2, 157, 1988).
En el alumbramiento del ser humano ocupa el 10 % del volumen total y
consume el 60 % de la energía metabólica; y a los 18
años, el 2 % y el 26 %, respectivamente. El 66% del total se consume
en la bastante reducida fracción de materia gris, hecha por partes
iguales de glía y de neuronas. Su volumen medio es de 1,436 (varones
europeos) y 1,241 L (mujeres europeas), valores inferiores a la extinta rama del
ser humano de Neanderthal y a los del ser humano de 20000 años
atrás. La fuente de esa energía, obtenida a partir del
entorno (la sangre), es, por ejemplo, glucosa (combustible) y
oxígeno (comburente).
Una hipótesis es que el hombre primitivo de la sabana del Africa se
vió en condiciones favorables para el desarrollo de la zona superior
y frontal de su cráneo, cambio que se puede interpretar como
ocasión para el desarrollo de propiedades superiores, siendo
éstas, hasta cierto punto, consecuencias
4.
más bien que causas del incremento de tamaño. (Stephen Jay
Gould, The Spandrels of San Marco..., 1978). Otras hipótesis, que
intentan explicar la falta de pelambre del humano y hasta su postura
erecta, suponen que el ser humano surgió en el ecosistema del borde
del continente africano inundado dos veces al día por las mareas,
donde el alimento rico en lípidos esenciales para las estructuras
mentales era fácil de hallar. Se argumenta que aunque no se detectan
restos fósiles prehistóricos en estas costas, ello resulta del
carácter destructivo de las condiciones que rigen en ellas.
Para los primates en conjunto, se ha aducido que aquellas especies que se
alimentan de hojas (poca concentración de nutrientes) tienen menos
cerebro que las especies frugívoras (alta concentración de
nutrientes en frutas), lo cual se repite tanto en el Nuevo como en el Viejo
Mundo; que el lenguaje humano se ve facilitado por el aumento de ese
órgano, o bien lo necesita como un prerrequisito; y que como hay
limitación en la disponibilidad energética de la madre, ello
tenderá a mantener pequeño el tamaño del cerebro del
hijo durante el embarazo y la lactancia. Esta última
explicación clarifica la disminución del tamaño
cerebral en el humano ya mencionada, como resultado de una
readaptación energética gradual del aporte de la madre a su
hijo durante embarazo y lactancia, ya que despues del destete el incremento
en tamaño cerebral se frena en forma apreciable. Sea que el
tamaño o el área externa del cerebro resulten ser causa o
efecto de una cierta lista de variables, e independientemente de su
supuesta relación con la "inteligencia", se puede esquematizar dicha
lista y el tamaño cerebral como en la Fig 1.
---------------------------------------------------------------------------
--------------------relación poco significativa----------------
! !
! !
! -->| CRIANZA |<--- !
LOCOMOCION<-------- --------->! | | !<--- !
! ! ! -->| VIDA SOCIAL |<--- ! !
! BIOENERGIA ! ! !
� ^ ! ! alarmas !
BUSQUEDA DE ------- ! ! >------ !
NUTRIENTES -------> PARAMETROS CEREBRALES >--alarmas----
^ !
! !
-------------alarmas--------------------
---------------------------------------------------------------------------
Fig 1 - Relaciones de los parámetros cerebrales (p.ej.,
tamaño, área), con la alimentación, la
reproducción, el tamaño del grupo social y la
locomoción. La principal asociación del tamaño
cerebral se establece con el alimento de alta concentración
energética antes que por la capacidad de locomoción o la
búsqueda de frutos. No está probado que para un dado
individuo su capacidad intelectual esté asociada con capacidad
volumétrica del cerebro. Lo realmente crucial para la capacidad
intelectual de una especie del orden de los primates, reside en el
suministro temprano de bioenergía (derivados de lactosa en la
infancia y de glucosa en la edad madura) y otros nutrientes para desarrollo
y funcionamiento del cerebro (Martin RD - Capacidad cerebral y
evolución humana, Investigación y Ciencia, N� 219, dic. 1994,
p. 71). La leche materna, a este respecto, tiene un tenor un 50 %
más rico en lactosa que la leche vacuna. La locomoción humana
depende en muy escasa medida de los parámetros cerebrales ya que la
mayor parte de su reloj biológico se halla alojado en la
médula espinal (Sci. Am., marzo 1996). La posibilidad de generar
nuevas y mejores alarmas se relaciona con el nivel activo cerebral; ellas
se integran a los circuitos cerebrales de biosupervivencia, nivel 1,
APENDICE 1.
5.
* El ser humano es un organismo altamente complejo que logra ser un
acumulador de 60 kg de peso que quema 10 MJ/día de nutrimentos y
oxígeno, con una serie de "niveles bioquímicos" que moderan
la combustión total para aprovechar eficientemente la
energía. Su órgano de supervivencia (decisión para
ella y control de ella) es el cerebro. Los sentidos fisiológicos
(parte del encéfalo) y muchos órganos (glándulas
hormonales) le envían o reciben (músculos) señales
presimbólicas o precognitivas.
* Cada sociedad humana es un sociosistema altamente complejo centrado en un
grupo que toma decisiones (�lite) y formado por otros grupos sociales,
sectores socioeconómicos, "lobbies" y diversas organizaciones
intermedias que muestran fluidos antagonismos y alianzas. Ese sociosistema
no tiene de manera alguna el desmesurado número de interrelaciones
recíprocas que existen entre las neuronas de un cerebro, pero de
todos modos, este último puede inspirar pautas similares a las que
gobiernan al sistema mencionado en primer término. Apenas se
menciona aqu� el parecido entre las leyes de la sociedad humana y la
hip�tesis de Gaia mencionada en p. 109. Todos estos casos son ejemplos
de sistemas complejos, adaptivos, no-lineales y autoorganizados.
La termodinámica tiene leyes aplicables para sistemas simples y
cercanos a una transición de fase (un vaso con transición de
fase entre agua líquida y hielo) o complejos en el desequilibrio no
lineal cercanos a una transición de fase del desequilibrio (los recién considerados). La materia está en una fase, en este contexto, cuando,
por un lado, posee un conjunto de propiedades bien definidas, y cuando,
por otro, proporciona una indicación del orden o desorden que
caracteriza a ese fenómeno de transición. La transición
de fase realmente interesante va de lo simple a la emergencia de lo complejo
e implica el cambio, con cierta irreversibilidad, desde una organización
menor a otra mayor (James S. Walker y Chester A. Vauce, Inv.
& Ciencia, N�130, p.60 y APENDICE 2). Este trabajo intenta contribuir a la comprensión de
leyes sencillas aplicables a esos casos, con modelos cuantificables y con
puntos de vista macroscópicos.
3. TERMODINAMICA DEL EQUILIBRIO Y APARTADA DEL MISMO.
* La mecánica clásica newtoniana verificaba que las
ecuaciones del
movimiento son invariantes con respecto a la inversión del tiempo. A
partir de un estado inicial, ellas predicen cómo varían la
posición y la velocidad de las partículas con el avance del
tiempo. Tambien, para un estado de avance dado, pueden reconstruir la
historia del proceso retrocediendo en el tiempo mediante la
inversión de su signo, t por -t. Esto sugiere una ambigua
atemporalidad en la física, muy poco intuitiva frente al mundo que
rodea al ser humano.
* La termodinámica del equilibrio introdujo en la física
explicaciones para los procesos reversibles a través de la
interpretación probabilística de la entropía formulada
por Boltzmann. Es la solución que halla que al final de un proceso
espontáneo, el sistema ha tendido al estado de mayor probabilidad.
La segunda ley, en la cual t ya no es igual a -t, constituye una ley de
desorganización progresiva, de pérdida de memoria, de
destrucción de la información previa y de olvido de las
condiciones iniciales. La entropía mide (segun la discutible
visión clásica) la tendencia a la uniformidad, la
probabilidad termodinámica creciente y la pérdida de
organización.
* Un tema interesante es el del gas de Knudsen, Fig 2. Describe una
condición apartada del equilibrio, un estado estacionario de
desequilibrio. Están unidos los dos lados por un capilar de
Knudsen. En el lado derecho del estado 2 de la Fig 2, la temperatura es
menor, se observan más moléculas que a la izquierda y los
grados de libertad (escape a las fuerzas
6.
débiles de van der Waals, etc.) de esas moléculas aparecen
más tensados que a la izquierda. Si se sigue bajando la temperatura
a la derecha, se exagera el desequilibrio y la distinta influencia de las
fuerzas de unión intermoleculares, con lo cual se vuelve más
notable la progresiva esclavitud de los grados de libertad de las
moléculas gaseosas, que empezarán a sufrir una
transición de fase de licuación al acceder a valores
críticos. Muchos otros fenómenos de la física son
análogos, esto es, ocurren en el desequilibrio.
* Obsérvese que lo que impide el equilibrio es el permanente
desequilibrio entre T1 y T2.
recipiente otro recipiente
a temperatura T1 con sus moleculas unido al previo, con
gaseosas con caminos libres medios capilar por el cual se T2 = T1, sin diferencias
tipicos--est� unido llega al equilibrio de caminos libres medios
con un capilar hacia la derecha moleculares con el izquierdo
recipiente con menos recipiente refrigerado
moleculas que arriba pues capilar por el cual hay a T2 - moleculas de corto
constantemente son atra�das hacia desequilibrio camino medio
la derecha. Temperatura T1 >>T2
Fig 2 - Knudsen estudió las características especiales del flujo por un capilar por el cual pasaban moléculas gaseosas y encontró que sin alterar la temperatura (estado 1, arriba) se establecía un equilibrio y alternado las
temperaturas de los dos recipientes interconectados (estado 2, abajo)
se acumulaban más moléculas en el sector frío. Pese a que se trata de un sistema cerrado, al ser no-adiabático sus dos subsistemas no están en el equilibrio sino en estado estacionario de desequilibrio. El cálculo indica que para el estado 2, el orden del gas de Knudsen en el recipiente frío, es mayor que en el recipiente caliente. En el estado 1, el gas muestra diS = 0 (conservación de entropía) y en el estado 2, diS > 0 (creación de entropía).
Esto es intuitivo: donde se detecta irreversibilidad en la Fig 2, tiene que haber
creación de entropía.
* Interesa plantear adecuadamente el balance de entropía S. Si el
subíndice e significa flujo entre el entorno y el sistema cerrado no-
7.
adiabático y el subíndice i indica generación de entropía debido a irreversibilidades,
dS >= Q/T = deS => dS = diS + deS con diS > 0 (segunda ley) (1)
donde el caso límite diS = 0 (conservación de entropía) corresponde a condiciones reversibles y el caso diS > 0 (creación de entropía) corresponde a condiciones irreversibles. Con estas últimas condiciones, se puede dar que
dS < 0 si tanto |deS| > diS como deS < 0 ("disipativo")
Se aclara que no hay ley física alguna que restrinja el signo de deS. Así se puede generar validamente un flujo negativo de entropía mientras los ordenamientos locales estén "robando" orden de su entorno. En el caso del estado 2 de la Fig 2, el subsistema gaseoso se ordena a la derecha robando orden del entorno, tensando grados de libertad moleculares y eventualmente generando calor por cambio de fase (principio de Le Chatelier).
* Este marco conceptual acepta que dS > 0, pero no alcanza a explicar otros
tipos de orden que aparecen en presencia de fuertes condiciones de no
equilibrio como las cadenas tróficas, el acople de reacciones exo- y
endotérmicas, la convección de B�nard, el flujo de Couette y
el laseado de un láser. Predice el devenir de un organismo vivo,
incluso su cerebro si lo tuviere, en los últimos momentos cuando
muere y se descompone, pero no en la etapa importante de su progresiva
madurez.
4. TERMODINAMICA LINEAL DEL DESEQUILIBRIO.
a. CERCANIA A UN ESTADO ESTACIONARIO
El equilibrio termodinámico de un sistema cerrado es una
idealización. Los parámetros termodinámicos sufren
inevitables oscilaciones alrededor del equilibrio. Se las denomina
fluctuaciones (Reyes Chamucero, p 193). En un sistema abierto, la
relajación al equilibrio nunca se completa del todo. Más bien
se tiende en ese caso a una relajación hacia un estado estacionario.
Este presenta iguales características: es una idealización.
Onsager, en la segunda década del siglo presente, planteó una
nueva termodinámica de sistemas abiertos en condiciones de
linealidad por cercanía a un estado estacionario. En esas
condiciones los componentes no-lineales decaen y se pueden ignorar y
así rige la siguiente expresión lineal para la velocidad de
creación de entropía por unidad de volumen (p 252)
k
diS/dt = (Sigma) Ji Xi
Aparecen fuerzas impulsoras Xi y flujos entrópicos Ji generalizados.
Aquí se llaman fuerzas impulsoras a los gradientes de temperatura,
concentración, fuerza, etc. y flujos (por ejemplo el efecto difusot�rmico a discutir) a los efectos asociados de flujos de energía, masa o
cantidad de movimiento que surgen por la presencia de gradientes (p 251). A
partir de sus planteos despejó -junto con otros autores como
Prigogine, Ono, etc. - el principio de mínima disipación de
energía (Onsager) (p 255). Es aplicable a los estados
estacionarios de no-equilibrio. El concepto de orden de dichos estados
estacionarios expresa que el orden k está definido por el
número de fuerzas impulsoras esclavizadas por ligaduras entre las n
fuerzas impulsoras actuantes. Por ejemplo, si se produce un efecto
térmico en la Fig 2, estado 2, bajando más la temperatura T2
a la derecha, se le conjuga al efecto térmico un efecto
Actualizado 19 de Octubre, 1998
