Un investigador del IAC propone un lenguaje común para estudiar el cerebro y el Universo

¿Existen aspectos en común entre el cerebro humano y el Universo? A simple vista, muy pocos. Sin embargo, ambos comparten formas de organización que podrían estudiarse con un mismo lenguaje matemático. Esa es la propuesta del investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de La Laguna (ULL) Francisco-Shu Kitaura, quien plantea un marco científico para analizar cómo surgen estructuras complejas en sistemas tan distintos como la red de galaxias y las conexiones neuronales.

El trabajo, publicado bajo el título 'Emergence of Complex Web Structures', no sostiene que ambos sistemas funcionen igual ni que respondan a las mismas leyes físicas. Su planteamiento es otro: pese a sus enormes diferencias de tamaño, composición y origen, tanto el Universo como el cerebro presentan patrones geométricos y estadísticos que pueden estudiarse mediante herramientas matemáticas similares.

La investigación busca responder a una cuestión fundamental: cómo aparecen formas organizadas —como filamentos, láminas, nudos o redes— a partir de un estado inicial uniforme o aparentemente aleatorio. Para ello, combina conceptos de la cosmología, la física estadística y la ciencia de los sistemas complejos.

La geometría detrás de las grandes estructuras

En cosmología, pequeñas irregularidades presentes tras el nacimiento del Universo evolucionan con el tiempo por efecto de la gravedad hasta formar un inmenso entramado de vacíos, láminas, filamentos y cúmulos de galaxias conocido como red cósmica.

El estudio de Kitaura analiza cómo nacen estas estructuras y propone describirlas mediante un enfoque que combina dinámica, geometría del transporte, teoría de la información y modelos matemáticos capaces de explicar cómo un sistema aparentemente simple desarrolla una organización cada vez más compleja.

El cerebro no funciona como el Universo

Uno de los aspectos que el investigador deja claros es que esta comparación no debe interpretarse de forma literal. El cerebro no está gobernado por la gravedad ni las neuronas se comportan como galaxias.

La propuesta parte de otra idea: sistemas físicamente muy diferentes pueden compartir determinadas propiedades cuando se analizan desde una escala intermedia. En ese nivel, lo importante deja de ser la naturaleza de cada elemento y pasa a ser la forma en la que aparecen conexiones, orientaciones y relaciones entre las distintas partes del sistema.

En el caso del cerebro, las imágenes obtenidas mediante resonancia magnética muestran una organización con direcciones preferentes y patrones que se repiten a diferentes escalas. Esa semejanza estructural con la red cósmica no implica un origen físico común, pero sí abre la posibilidad de utilizar métodos matemáticos comparables para analizar ambos sistemas.

De la cosmología a la neuroimagen

La propuesta está estrechamente relacionada con dos proyectos liderados por el propio Kitaura.

El primero, COSMIC-SIGNAL, desarrolla métodos matemáticos y estadísticos para reconstruir la distribución de las galaxias y estudiar algunos de los grandes interrogantes de la cosmología, como la materia oscura, la energía oscura o el origen de las estructuras del Universo.

El segundo, COSMIC BRAIN, traslada parte de esas herramientas al estudio del cerebro humano. Según explicó anteriormente el IAC, este proyecto adapta técnicas empleadas en cosmología para analizar imágenes cerebrales con el objetivo de comprender mejor el envejecimiento del cerebro y explorar futuras aplicaciones en enfermedades neurodegenerativas.

El equipo ya había demostrado el potencial de este enfoque en investigaciones previas, donde utilizó métodos estadísticos desarrollados para la cosmología para estimar con mayor precisión la edad del cerebro. También experimentó con la sonificación, una técnica que transforma imágenes tridimensionales en sonido para detectar patrones complejos desde otra perspectiva.

La importancia de la anisotropía

Uno de los conceptos centrales del nuevo trabajo es la anisotropía, un término que hace referencia a que una estructura no evoluciona igual en todas las direcciones.

En el Universo, cuando la materia comienza a concentrarse de forma desigual, primero aparecen grandes láminas; posteriormente surgen filamentos y, finalmente, nodos densos donde se agrupan las galaxias. Este proceso ayuda a explicar cómo se forma la red cósmica.

El estudio analiza además el papel de las llamadas fuerzas de marea, que permiten detectar esa organización direccional incluso antes de que existan diferencias evidentes en la densidad de la materia.

Mirar el conjunto y no solo cada punto

Kitaura plantea que una idea similar puede aplicarse al estudio del cerebro. La información relevante no estaría únicamente en cada región analizada por separado, sino también en la relación que mantiene con su entorno, en su orientación y en la forma en la que se conecta con otras estructuras presentes a distintas escalas.

Este enfoque permite superar una lectura basada únicamente en la intensidad o la densidad de cada punto de una imagen. En su lugar, busca comprender cómo se organiza el conjunto, qué direcciones predominan y cómo evolucionan las relaciones entre las diferentes partes del sistema.

Según el trabajo, la aparición de estructuras organizadas no supone una simplificación del sistema, sino un aumento de su complejidad al generar nuevas conexiones y correlaciones entre sus componentes.

Una puerta abierta a futuras aplicaciones

El IAC considera que este marco teórico podría facilitar que herramientas desarrolladas para reconstruir la distribución de la materia en el Universo encuentren aplicaciones futuras en el análisis del envejecimiento cerebral y de enfermedades neurodegenerativas.

No obstante, el propio estudio subraya que estas posibilidades deben interpretarse con cautela. Por ahora se trata de una propuesta metodológica y cualquier aplicación clínica requerirá nuevas investigaciones y validaciones específicas.