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El Conectoma cerebral. 13. Apéndice. La Teoría de la Información Integrada.




Vamos a cerrar el recorrido sobre el conectoma cerebral, auténtico protagonista de esta serie a lo largo de varias entradas (aquí, la anterior), con una somera inmersión en una teoría que basa el estado de consciencia sobre una determinada estructura de red más que sobre el tipo de proceso que en ella se desarrolla. Estamos refiriéndonos a la Teoría de la Información Integrada (TII), cuyas raíces se extienden a partir de la idea del “núcleo dinámico” de Gerald M. Edelman, del que ya hablamos en las entradas 03 y 04 de la serie, idea que siguió desarrollando, siendo hoy el líder de la misma, el médico psiquiatra italiano Giulio Tononi.[1]

Quiero hacer hincapié en que es “una teoría”, en el sentido que le da el diccionario de la lengua española: “Conocimiento especulativo considerado con independencia de toda aplicación”… por ahora, añadiría yo. Es una teoría que en base a modelizar las redes informativas, lo que permite un estudio y aproximación matemática, intenta poder definir cuáles son más propensas a generar estados de consciencia. Claro, habrá que decidir antes qué entendemos por “estados de consciencia”. Lo que nos lleva a los planteamientos de Edelman acerca de la “consciencia primaria“, aquella que no se enreda en planteamientos metafísicos como la existencia de un Yo o en una capacidad de razonamiento superior. Simplemente, consciencia primaria es aquello que nos permite saber que estamos conectados con nuestro entorno y nuestro cuerpo, lo que recuperamos cuando nos despertamos de un sueño. Y, ¡OJO!, eso hay que tenerlo muy en cuenta a la hora de valorar la conclusión que propongo en el fin de entrada.

En las entradas referenciadas en el primer párrafo[2] acerca del pensamiento de Edelman, ya se vio que definía como esenciales para este tipo de consciencia las siguiente dos particularidades: diversidad y unicidad, es decir, capacidad para generar infinitas posibilidades y capacidad para de entre todas ellas ser seleccionada solamente una, y todo ello en un entorno espacio-temporal muy acotado. Se trata de redes neuronales con capacidad de manejar mucha información variada y con capacidad de integración de la misma. En lo que queda de entrada nos será útil mantener el paralelismo entre la palabra “consciencia” y el binomio “información-integrada“.

Imagen en la que la información aumenta de izquierda a derecha (de blanco y negro a color) y la integración de abajo hacia arriba (píxeles más o menos ordenados). La imagen de Marte cobra mayor sentido cuando se maximizan ambas dimensiones. (Imagen (de A. Ibáñez) y texto tomados de “Cerebro y consciencia 1: PHI o la Teoría de la Información Integrada”, Ignacio Morgado Bernal, Scilogs, 2016, fair use)

Los estudios acerca de la dinámica cerebral durante la consciencia afirman que no todo el cerebro participa en esta emergencia, aunque sí es precisa la concurrencia de buena parte del sistema tálamo-cortical. A la vista de ello, las preguntas que se hace la TII son las siguientes: ¿por qué unas partes del cerebro producen consciencia mientras que otras no?; ¿cómo y por qué determinadas zonas discriminan cualidades de consciencia distintas, vista, oído, temperatura…? Y eso es lo que precisamente intenta discernir de forma sistemática y científica la teoría de Tononi.

Esta teoría parte de la idea de que en la base de la consciencia se encuentra una realidad: el que hay mucha información integrada. A partir de ahí va a estudiar de forma teórica qué tipo de redes generan e integran más información, y cuales permiten discriminar más fuertemente un resultado concreto. No voy a entrar en detalles técnicos de la metodología, pues no soy experto en ella, aunque sí recomiendo que acudáis al artículo de Giulio Tononi que inspira esta entrada, “An information integration theory of consciousness” (2004), en donde se desarrolla su técnica. Básicamente se centra en la definición y cálculo de dos parámetros: La Ф de un complejo y la matriz de información efectiva. Habrá que aclarar un poco más.

Para medir la integración de la información es esencial saber si un conjunto de elementos constituye un sistema integrado causal (sus elementos internos se autoinforman), o bien se pueden dividir en una serie de subconjuntos independientes o casi independientes entre los cuales no se puede integrar información. Estos conjuntos “cuasi aislados” son los que Tononi llama complejos. La información dentro de esos conjuntos será distinta según sea la intercomunicación entre sus partes, la información mutua, lo que va a dibujar la matriz de información efectiva entre los elementos del complejo. El modelo define un parámetro asociado a la información efectiva dentro de un conjunto, que además se puede calcular y que se le denomina como Ф: Una I de “información” sobre la que se superpone un círculo, o, indicador de su “integración”.[3]  Lo que nos lleva a una mejor definición de un complejo: un complejo es un subconjunto de elementos con Ф>0 y sin un subconjunto interno de Ф superior.

Ahora estamos en condiciones de enunciar lo que es la base de la TII: la teoría afirma que la consciencia corresponde a la capacidad de integrar información. Esta capacidad, correspondiente a la cantidad de consciencia, está dada por el valor de Φ de un complejo. Un complejo puede ser parte de un complejo mayor, de mayor Φ, así hasta encontrar el complejo que dé un máximo, que constituye el complejo principal. A mayor Φ, mayor capacidad de consciencia. La teoría también predice que los requisitos de tiempo para la generación de experiencia consciente en el cerebro surgen directamente de los requisitos de tiempo para la acumulación de interacciones efectivas entre los elementos del complejo principal.

(a) Una escala de complejos dentro de un sistema, desde los más elementales 1/2 y 3/4, dentro del S, dentro del X. En la metodología de la teoría, para este ejemplo, se inyecta información sobre los elementos 1 y 2 y se calcula cual es la información que traspasa cualquier bipartición del complejo S. (b) En la bipartición vertical lógicamente la información efectiva es cero mientras que en la horizontal (o las cruzadas) la información efectiva es mayor que cero. (d) Posteriormente, a partir de los resultados anteriores, se calcula el Ф de cada complejo. En la imagen se determina que el sistema 1/2 genera menos consciencia que el 3/4. (Imagen de “An information integration theory of consciousness”, figura 1, Giulio Tononi, BMC Neuroscience, 2004, fair use)

Con todo lo anterior tendríamos planteada una vía de estudio de la primera pregunta: ¿por qué unas partes del cerebro producen consciencia mientras que otras no? Pero, incluso si estuviéramos razonablemente seguros de que un sistema es consciente, no es inmediatamente obvio qué tipo de consciencia tendría, que tipo de quale generaría.[4] En ese caso la teoría afirma que la calidad de la consciencia asociada con un complejo está determinada por su matriz de información efectiva que especifica todas las relaciones informativas entre los elementos de un complejo. Los valores de las variables que median las interacciones informativas entre los elementos de un complejo especificarían la experiencia consciente particular en un momento dado. Traspasando el concepto al cerebro, obtendríamos dónde hallar la respuesta a la segunda pregunta que nos planteábamos: ¿cómo y por qué determinadas zonas discriminan cualidades de consciencia distintas?

Con esas ideas se ha construido un modelo que puede ser manejado y de donde se consiguen conclusiones: El modelo determina que en complejos con una red que maneja mucha información efectiva se genera un alto Φ, es decir, un significativo grado de consciencia. Con el modelo se puede simular la variable topología de determinadas redes cerebrales (con restricciones, claro está), como aquellas que sabemos intervienen en la generación de consciencia; o como las que no la generan; o bien las redes que generan una particular cualidad de consciencia -visión, audición, dolor…-, pudiendo observar en el resultado de las simulaciones un paralelismo entre “estructura neuronal/función real” y las “predicciones de la teoría”.

Esas ideas se refuerzan, e incluso parecen corroborarse, al observar las fenomenologías del funcionamiento cerebral, su correlación con la topología de las estructuras que las generan y cómo lo que se observa puede ser explicado mediante las ideas de base de la TII. A continuación se relacionan algunas de esas topologías, y sus dinámicas, que correlacionan muy bien con la teoría:[5]

1. Sabemos que la consciencia se genera en la red tálamo-cortical distribuida por el encéfalo, red que anatómicamente y funcionalmente se muestra a la vez especializada e integrada (ver figura siguiente).

Redes con configuración del tipo sistema tálamo-cortical, estudiadas por la TII, en las que se analiza el valor de la información integrada, Φ. (a) Se parte de una disposición heterogénea de las conexiones entrantes y salientes, de forma que su Φ sea alto, igual a 74 bits, valor que nos maximiza conjuntamente la especialización funcional y la integración funcional entre sus 8 elementos. (b) Con la misma cantidad de conectividad, distribuida ahora homogéneamente para eliminar la especialización funcional, produce un complejo con valores mucho más bajos de Φ (Φ = 20 bits). (c) La misma cantidad de conectividad, ahora distribuida de tal manera que forma cuatro módulos independientes para eliminar la integración funcional, produce cuatro complejos separados con valores mucho más bajos de Φ (Φ = 20 bits) (Imagen de “An information integration theory of consciousness”, figura 3, Giulio Tononi, BMC Neuroscience, 2004, fair use)

2. Otras regiones del cerebro con un número comparable de neuronas, como el cerebelo, no contribuyen a la experiencia consciente. Según la teoría, la razón radica en la organización de las conexiones cerebelosas, que es radicalmente diferente de la del sistema tálamo-cortical y no es adecuada para la integración de la información (ver figura (a) siguiente).

3. Los centros subcorticales, como los ganglios del sistema reticular ascendente[6] generadores de neuromoduladores (lo que llamamos red difusa en la entrada 06), sin contribuir directamente a la consciencia, pueden controlarla modulando la preparación del sistema tálamo-cortical. Este papel puede explicarse fácilmente en términos de integración de información, ya que la teoría dice que los elementos neuronales que tienen conexiones generalizadas con un complejo principal de alta Φ pueden, sin embargo, permanecer informativamente excluidos de él (ver figura (b) siguiente).

4. La actividad neuronal en las fibras aferentes sensoriales[7] al sistema tálamo-cortical, como por ejemplo las que vienen de la retina, puede determinar lo que experimentamos sin contribuir directamente a ello. Los resultados computacionales demuestran que agregar o eliminar múltiples rutas entrantes segregadas no cambia la composición del complejo principal y causa un pequeño cambio en su Φ (ver figura (c) siguiente).

5. La actividad neuronal en las rutas motoras del sistema tálamo-cortical, aunque produce diversos resultados de comportamiento, no contribuye directamente a la experiencia consciente. La explicación dada por el modelo es semejante a la del apartado anterior (ver figura (d) siguiente).

6. Los procesos neuronales en los bucles córtico-subcórtico-corticales, como los de los ganglios basales, si bien son importantes en la producción y secuenciación de la acción, el pensamiento y el lenguaje, no contribuyen directamente a la experiencia consciente. La teoría demuestra que la adición de muchos ciclos paralelos generalmente tampoco cambia la composición del complejo principal, aunque los valores de Φ pueden alterarse (ver figura (e) siguiente).

7. Los procesos neuronales subconscientes dentro del sistema tálamo-cortical, como podría ser el proceso de reconocimiento de una cara, que también influyen en la experiencia consciente aunque sin contribuir directamente a ella. En ese caso la teoría predice que la actividad dentro de ciertos circuitos corticales no contribuye a la consciencia porque tales circuitos implementan bucles informativamente aislados que permanecen fuera del complejo tálamo-cortical principal.

Diversas configuraciones de redes estudiadas por la TII en las que se analiza el valor de la información integrada, Φ. (a) Módulos paralelos, semejantes a los del cerebelo, de alto Φ=20, y que como conjunto lo tienen muy bajo, Φ=5. (b) Caso semejante al sistema reticular difuso y su influjo en el tálamo-cortical. (c) Lo mismo en el caso de las aferentes sensoriales. (d) Lo mismo para las rutas motoras del sistema tálamo-cortical. (e) Caso del conjunto ganglios basales/sistema tálamo-cortical (un mayor desarrollo en el texto) (Imagen de “An information integration theory of consciousness”, figura 4, Giulio Tononi, BMC Neuroscience, 2004, fair use)

8. La consciencia se puede dividir si el sistema tálamo-cortical se divide en sus dos hemisferios. Lo que parece lógico, ya que cada uno de ellos pasa a constituirse como un complejo principal distinto, manteniendo un alto Φ. Aunque la teoría dice que también, en este caso de bipartición, debe mantenerse un complejo de mucho menor Φ, que incluye a ambos hemisferios y a un elemento “subcortical” que les proporciona una entrada común.

9. En la operativa del cerebro se observan como a veces se producen desconexiones en las estructuras neuronales, ya sean fisiológicas como patológicas o fisiológicas. Nos parece lógico que puedan afectar a la intensidad de la consciencia. Algunas ocurridas en partes del sistema tálamo-cortical pueden contribuir a la experiencia consciente en un momento dado pero no hacerlo en otro (como por ejemplo en las diversas fases del sueño, o en las alternancias de ensimismamiento/atención). La teoría demuestra, es verdad que en un modelo muy simple, que si en un complejo principal formado por tres subconjuntos interconectados, y de relativamente alto Φ, se desconecta uno de ellos, el resultado es que el complejo principal se contrae y el subconjunto desconectado termina fuera de ése. Aunque el valor de Φ varía muy poco, lo que indicaría que podría ser posible que los límites del complejo principal cambien dinámicamente, mientras que la cantidad de consciencia no se altera sustancialmente.[8]

10. No sólo las desconexiones funcionales o anatómicas en el cerebro afectan al estado consciente, ya que también, dependiendo de ciertos parámetros neurofisiológicos, la misma red tálamo-cortical puede generar mucha o poca experiencia consciente. La experiencia cotidiana nos dice claramente que la consciencia puede ir y venir, crecer o achicarse. También esta realidad de la progresividad de la consciencia está soportada en la teoría, ya que en su base está el principio de que, dependiendo de las diferentes configuraciones de integración de información, el valor de Φ puede variar para un mismo complejo principal.

EN RESUMEN. La Neurología sabe detectar cuáles pueden ser los diversos módulos cerebrales que participan en la experiencia consciente y además conoce su tipo de arquitectura neuronal. Se han modelizado estas estructuras, lógicamente de forma muy simple, y se las ha sometido, en el modelo, a información externa. El resultado del modelo es que arquitecturas teóricas similares a la de los módulos neuronales que SÍ gestionan la consciencia son las que manejan una mayor información, y además de la forma más integrada. Análogamente, el modelo demuestra que arquitecturas teóricas similares a la de los módulos neuronales que NO participan en el estado de consciencia, o lo hacen de forma colateral, tienen una pequeña capacidad de integración de información.

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Llegados aquí nos toca pasar a la conjetura. Insisto, como lo hice al principio de la entrada, que la Teoría de la Información Integrada es eso, una teoría para explicar la consciencia. Pero una teoría que se ajusta endiabladamente a lo que observamos en nuestras experimentaciones dentro del campo neurológico, ya sea en los estudios de patologías como durante los diversos estados vivenciales o en el caso de haberse producido alteraciones por drogas o fármacos. La extraña idea que subyace a la TII nos dice: una red con alta capacidad de integración de información puede generar algo que llamamos en los humanos consciencia. No es un proceso, es algo consustancial con los parámetros de la red. Algo así como la masa que se manifiesta como el peso o la inercia de un cuerpo, o la carga eléctrica sobre la que actúa la fuerza electromagnética. No estaríamos hablando sólo del cerebro, sino de cualquier sistema capaz de integrar mucha información y capaz de configurar su arquitectura en un gran número de estados mediante interacciones causales dentro de él. Añadido quedaría el que ya que la calidad de la conciencia, el quale emergente, está determinada por las relaciones informativas dentro del complejo principal de la red, cualquier tipo de sistema como el que comentamos debería ser capaz de experimentar quale, como la “rojez”. Como dice Tononi: “La teoría predice que la consciencia depende exclusivamente de la capacidad de un sistema para integrar información, tenga o no un fuerte sentido de sí mismo, lenguaje, emoción, un cuerpo, o esté inmerso en un entorno, en contra de algunas intuiciones comunes”.

La teoría implica que la consciencia no es una propiedad de todo o nada, ya que depende del valor de Φ, valor que puede ser distinto para cada red. Lo que nos lleva a conjeturar que no sólo el cerebro es consciente (aunque él lo es en grado sumo según nuestros conocimientos) sino que en diversos grados la consciencia debería existir en la mayoría de los sistemas naturales o artificiales. No es un proceso, es una configuración. Nuestro cerebro evolutivamente puede exhibir como una bandera una Φ elevada, lo que es idéntico a generar consciencia. Lo sabemos porque lo experimentamos[9]. Aunque quizás sea algo que no se pueda evitar. No me queda más que decir que… ¡inquietante! ((Aunque para que nos relajemos ahí dejo una opinión de mi admirado neurólogo Joseph LeDoux hablando acerca de si las máquinas, gracias a la Inteligencia Artificial, algún día tendrían consciencia: “In other words, the flow of electrons in electronic devices can shed light on cognition but is not sufficient to create it“, “En otras palabras, el flujo de electrones en los aparatos electrónicos pueden iluminarnos acerca de [lo que es] la cognición pero no es suficiente para crearla.” (“The deep history of ourselfs“, Viking, 2019).

[En la próxima entrada el pdf... y algo más]

  1. La base de la exposición de esta entrada la podéis encontrar en el siguiente artículo de Tononi, “An information integration theory of consciousness”, BMC Neuroscience, 10 de agosto de 2004. []
  2. Entradas 03 y 04. []
  3. De manera más técnica, Φ es la cantidad de información efectiva que se puede intercambiar a través de una teórica bipartición de mínima información de un complejo. []
  4. El quale (plural: qualia) es la cualidad subjetiva de la experiencia individual. Por ejemplo, la rojez de lo rojo, o lo doloroso del dolor. []
  5. Una mayor explicación la vamos a encontrar en el ya mencionado artículo de Giulio Tononi, “An information integration theory of consciousness” (2004). []
  6. La formación reticular es una estructura neurológica del tronco encefálico, que se encarga de los ciclos circadianos de sueño/vigilia. Filogenéticamente es una de las partes más antiguas del encéfalo. Está formada por neuronas de diferentes tamaños y formas esparcidas en la sustancia blanca. []
  7. Las que transportan impulsos nerviosos desde los receptores u órganos sensoriales hacia el sistema nervioso central. []
  8. Lo que parece sugerir que la idea del “núcleo dinámico” propuesta por Gerald M. Edelman, y que explicamos en la entrada 04 de esta serie, no debe ser tan descabellada. []
  9. Recuerdo: estamos hablando tan solo de consciencia primaria []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

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