Adriana Pliego

“¡Dejen de hacer tanto ruido!” es la exclamación más utilizada por las mamás cuando intentan concentrarse en medio del escándalo de los niños jugando, o de los maestros al frente de un grupo de secundaria, o de un vecino molesto por la fiesta de los adolescentes de al lado. Sin embargo, algunas veces el ruido ayuda a quien sabe aprovecharlo. En este artículo conocerás el lado amable del ruido y el papel que juega en los sistemas naturales.

El ruido y sus colores

Vas en el transporte público y te pones tus audífonos durante el trayecto para aislarte un poco y escuchar música. Pero como son de chícharo, aunque subas el volumen de tu reproductor aún se cuela en tus oídos el sonido del motor del camión, la conversación de los pasajeros y la infaltable música del chofer. Ruido es todo aquello que interfiere y se encuentra mezclado con aquello que nos interesa oír. En el ejemplo que di se escuchan muchos otros sonidos que viajan desde las bocinas del reproductor, se propagan a través del aire, y llegan a tu oído, pero el que te interesa es tu música, que entra a los oídos mezclada con los demás sonidos. Éstos últimos representan el ruido de este ejemplo y naturalmente la intención es eliminarlo tal vez comprando mejores audífonos.

El ruido no solamente se escucha, aunque parezca extraño también se puede ver y palpar. ¿Has visto los puntos en negro, gris y blanco que bailan en una pantalla cuando no hay señal? Son ruido, mejor conocido como interferencia.

Dada la diversidad del ruido y su naturaleza, los físicos se han dedicado a estudiarlo, caracterizarlo y nombrarlo para poder eliminarlo de lo que realmente queremos escuchar y observar. Al ruido audible más poderoso se le llama ruido blanco. Afortunadamente no existe, es un ideal. Así como la luz blanca contiene todos los colores (espectro visible), el ruido blanco contiene todos los sonidos, lo cual es imposible pues el número es infinito. El ruido rosa, por otro lado, se forma de sonidos acotados al rango audible, que va de los 20 Hz a los 20,000 Hz. El ruido audible tipo “palomitas” (del inglés pop-corn noise) se forma de incrementos súbitos de voltaje o corriente que al pasar por una bocina producen un sonido similar al de las palomitas al tronar. El ruido visual “sal y pimienta” se presenta como puntos esparcidos en blanco y negro en una imagen.

A pesar de la concepción tradicional del ruido como fuente de interferencia, físicos, biólogos, matemáticos y otros especialistas han llegado a la conclusión de que no todo el ruido es molesto. De hecho, de acuerdo a investigaciones recientes, el ruido es necesario para que se lleven a cabo procesos climatológicos particulares sin los cuales no sería posible la vida en la Tierra. Además es esencial en el funcionamiento de nuestro cerebro.

El ruido de la Tierra

¿Cómo está el clima en Guanajuato? Ah, está fresco por la mañana, pero muy caluroso por la tarde. Cuando la gente pregunta por el clima, en realidad está preguntando por las condiciones meteorológicas durante un día o un lapso corto. Sin embargo el clima comprende las condiciones meteorológicas durante largo tiempo y se determina a partir del registro de temperaturas, de humedad, de precipitación, de presión atmosférica, de vientos, etcétera, día a día, a lo largo de muchos años (ver“Acerca del Clima” en Cienciorama). La historia del clima de la Tierra revela que la alternancia entre periodos glaciares e interglaciares sucede aproximadamente cada 100,000 años. Las glaciaciones son acumulaciones de hielo en los casquetes polares que se extienden un poco a latitudes mayores durante periodos largos de tiempo a causa de un descenso de la temperatura global de tan sólo unos cuantos grados. Se sabe que ocurren estos periodos glaciales por el estudio de los registros fósiles (ver“Las eras glaciales y el calentamiento global” en Cienciorama).

Alrededor de 1980 del siglo pasado, investigadores como Klaus Hasselmann del Instituto Max Planck, en Hamburgo, y Alfonso Sutera de la Universidad La Sapienza, en Roma, intentaron explicar matemáticamente la periodicidad de esta alternancia utilizando modelos que en sus ecuaciones consideraban factores externos a la Tierra como la radiación solar, y factores internos como las erupciones volcánicas y la circulación oceánica y atmosférica. Estos modelos fueron capaces de reproducir variaciones climatológicas donde la temperatura global únicamente variaba 1ºC pero no acertaron en mostrar las zonas y tiempos que propician los dramáticos cambios climatológicos de los periodos glaciares e interglaciares donde la temperatura global cambia hasta 10ºC cada 100,000 años. En 1982, Roberto Benzi del Instituto de Física de la Atmósfera, en Roma, propuso estudiar el efecto de la interacción entre las pequeñas variaciones solares periódicas –que varían únicamente 0.1% de su valor constante– y las oscilaciones climatológicas aleatorias o fortuitas durante periodos largos.

Benzi diseñó un modelo matemático con el que demostró que la presencia del “ruido climático” –es decir, las variaciones climatológicas aleatorias, sumadas a la variación periódica de la radiación solar, que es de baja intensidad– provoca la amplificación de esta última señal de baja intensidad, que a largo plazo da lugar a cambios climatológicos radicales que podrían iniciar los periodos glaciales. Esto se debe a que en presencia de la señal ruidosa, mientras más tiempo transcurre, aumenta más la probabilidad de que ocurra una transición abrupta. De acuerdo al modelo, la probabilidad inicial de que ocurra un “salto climático”de una temperatura T1 a una T2, es cercana a cero, pero transcurrido un tiempo la probabilidad se incrementa; así, después de aproximadamente 50,000 años, la probabilidad del “salto climático” se acerca a 1, por lo tanto hay una glaciación en la mayoría de los casos. Pero observemos que la probabilidad de que ocurra un salto en sentido contrario, es decir, de T2 a T1 es de cero, y de nuevo por efecto de la actividad conjunta de una señal periódica de baja intensidad sumada con una señal climática ruidosa, la probabilidad del salto después de 50, 000 años será cercana a 1. Lo anterior significa que los cambios climáticos pasarán de T1 a T2 y de T2 a T1 cada 100,000 años.

Al hallazgo de Benzi se le bautizó como resonancia estocástica. La palabra resonancia se refiere al fenómeno de amplificación de la señal periódica de baja intensidad. El carácter de estocástico lo aporta la señal ruidosa por su naturaleza aleatoria o estocástica. Es importante mencionar que para que el cambio probabilístico propicie el “salto”, la intensidad de la señal ruidosa debe ser tal que no sea insignificante para el sistema, pero que tampoco sea tan grande que destruya la señal de interés. Para el ejemplo de las glaciaciones, si los cambios de temperatura aleatorios no cumplen con esta última característica, la amplificación de la señal periódica de baja intensidad (radiación) no se producirá y el salto climático no ocurrirá en el tiempo que se tiene estipulado.

Aunque el modelo de Benzi reproduce satisfactoriamente la periodicidad entre las glaciaciones y es útil para comprender los cambios climáticos a largo plazo, en su publicación reconoce que el fenómeno merece mayor investigación.

Para un viejo poblador de Guanajuato será relativamente fácil decirnos cómo estará el clima en ese lugar un día de agosto, pero definir cómo han sido los cambios climáticos a partir del ruido que se produce por las pequeñísimas variaciones en las condiciones meteorológicas de cada día, es cosa de… científicos.

Mensajes en el agua

El cangrejo de río es una langosta pequeña que se encuentra en diferentes partes del mundo. Este crustáceo comestible posee sensores de movimiento o mecanoreceptores conectados a las largas prolongaciones de su cola que le dan la apariencia de falda. El investigador Frank Moss de la Universidad de Missouri, realizó en 1993 experimentos que consistían en estimular mecánicamente estas prolongaciones tocándolas con un dispositivo 5 a 100 veces por segundo (Hz). Descubrió que las células sensibles al movimiento de este crustáceo respondían mejor a los estímulos periódicos de 8 a 25 veces por segundo, pero si el estímulo era muy débil, no activaba las células sensoriales del crustáceo. En cambio, cuando al estímulo periódico se le añadía una señal mecánica ruidosa, las células sensoriales producían una respuesta. Al intentar explicar la especificidad del rango de frecuencias a la cual responden las células mecanoreceptoras, el grupo de Moss descubrió que la cola de los depredadores de esta pequeña langosta oscila en este rango de frecuencias. Si una de las maneras en que este crustáceo empieza a emprender su huida es la amplificación de su señal periódica mediante resonancia estocástica ¿de dónde puede provenir la señal ruidosa? Los investigadores sugirieron que el medio de propagación de esta señal periódica es el agua, cuyo movimiento constante y aparentemente aleatorio podría ser la fuente de “ruido” del sistema. De ser así, la señal periódica de baja intensidad junto con la ruidosa, pone en alerta al crustáceo sobre la presencia de su depredador, aun cuando éste se encuentra lejos, y le permite emprender la huida con algo de ventaja.

Otro ejemplo del uso de ruido para amplificación de señales periódicas débiles en la naturaleza fue sugerido por Jacob E. Levin y John P. Miller en 1996. En su artículo publicado en la revista Nature reportan que las células sensoriales de los grillos responden con mayor intensidad a perturbaciones mecánicas entre los 80 y 150 Hz. En este mismo rango se encuentra el aleteo de la avispa parásita, depredadora natural del grillo, que con su órgano ovopositor deposita sus huevos en otros insectos condenados a morir cuando éstos eclosionen. ¿Coincidencia, destino? No, más bien obra de la evolución. Como en el caso del cangrejo de río, el ruido que es el medio de propagación de la señal periódica es el aire.

El cerebro escandaloso

Otro descubrimiento realizado durante la década de 1990 sobre el “uso” que hacen los sistemas biológicos de la resonancia estocástica fue en neurología. Las neuronas son sistemas típicos que pueden funcionar mediante resonancia estocástica de manera natural, pues cumplen con dos condiciones importantes: están inmersas en un medio donde se producen señales eléctricas (ruido eléctrico) y al rebasar un valor umbral (voltaje de la membrana), se produce un cambio súbito de cargas conocido como potencial de acción (ver “¡Alerta! Falla eléctrica neuronal” en Cienciorama).

La transmisión sináptica es un proceso “ruidoso” que se construye con corrientes despolarizantes e hiperpolarizantes. El ruido sináptico altera sistemas neuronales relativamente simples donde incluso el ruido proveniente de las sinapsis dendríticas de muy baja intensidad, mejora la respuesta neuronal. Se han observado ejemplos de este mejoramiento en la región CA1 del hipocampo (ver ”Prótesis de la memoria” en Cienciorama) donde la detección de las entradas eléctricas cerebrales distantes mejora únicamente cuando están acompañadas de ruido eléctrico. En experimentos realizados con células sensibles a la luz o fotorreceptores de cangrejos, también se observó esta mejoría en la transmisión de la actividad eléctrica.

Parece factible que las células cerebrales aumenten la eficiencia en su sinapsis través de resonancia estocástica ¿pero estará presente el fenómeno en todo un cerebro? Los científicos aún no pueden dar una respuesta. Para saber si la resonancia estocástica juega un papel en la sinapsis primero debe identificarse una fuente de ruido y después relacionarla con alguna función. La mayor dificultad experimental consistiría en modificar la fuente de ruido y observar su impacto en dicha función, pues no es posible “callar” el ruido neuronal.

Algunos autores defienden que hasta hoy no existe prueba contundente de que el ruido mejore de manera natural la sinapsis neuronal, pues los experimentos realizados aplican ambas señales –la de interés y la ruidosa– de manera externa. Sin embargo, el hecho de que respondan favorablemente a la resonancia estocástica sugiere que es muy probable que sea una de sus estrategias para transmitir señales eléctricas.

Ruido que ayuda a sentir

Como ya mencionamos, uno de los aspectos más importantes del sistema nervioso es que funciona con umbrales de voltaje. Una vez rebasado el umbral se produce una respuesta, si no se rebasa el sistema permanece en equilibrio eléctrico. Muchas patologías provocan que estos umbrales aumenten; es decir, que se requiera más energía para activar las células nerviosas. Por ejemplo, al envejecer, los sentidos se deterioran de manera natural: se pierde el oído, la vista se nubla, la piel se reseca y el tacto disminuye. Se requieren sonidos más fuertes, formas más robustas, presiones más intensas para percibir el estímulo sensorial, o sea, se requiere más energía para rebasar el umbral de percepción y que las células sensoriales se activen. En rehabilitación se ha intentado “imitar” el fenómeno de resonancia estocástica natural para disminuir el umbral de activación de las células nerviosas y mejorar la percepción de gente mayor o discapacitada.

Actualmente se desarrollan guantes y calcetas con pequeños motores que proporcionan esa señal mecánica ruidosa imperceptible para el paciente. Se piensa que este “ruido de fondo” acerca al sistema sensorial al umbral, de manera que un estímulo débil es capaz de activar la respuesta del sistema nervioso. Ejemplos de estos productos son utilizados en pacientes con problemas de balance y locomoción ya que mejoran la sensación táctil de los pacientes.

Otra aplicación de esta sensación táctil aumentada es para proporcionar mayor control a los cirujanos que utilizan sistemas de telerobótica –cirugía robótica a distancia– o microcirugía. Al disminuir el umbral de disparo de las células táctiles, el cirujano percibe con mayor detalle la textura de los tejidos. Así, el fenómeno de resonancia estocástica, “copiado” de la naturaleza en estos dispositivos, no solamente ayuda a recuperar la intensidad de las sensaciones a los que las han perdido, sin que también aumenta la experiencia para los que necesitan sentir más.

Bibliografía

Benzi R., “Stochastic resonance in climate change”, Tellus (1982) 34, 10-16.

Levin E. J., Miller J. P., “Broadband neural encoding in the cricket cereal sensory system enhanced by stochastic resonance”, Nature 380, 165-168 (marzo1996): doi:10,1038/380165a0

Hänggi, P., “Stochastic Resonances in Biology: How Noise Can Enhance Detection of Weak Signals and Help Improve Biological Information Processing”, CHEMPHYSCHEM 2002, 3, 285-190.

McDonell M. D., Abbott D., “What is Stochastic Resonance? Definitions, Misconceptions, Debates, and Its Relevance to Biology”, PLoS Computational Biology/mayo 2009/ volumen 5/ Issue 5/e1000348

Moss F., Lawrence W.M., Saniita W.G., “Stochastic resonance and sensory information processing: a tutorial and review of application“, Clinical Neurophysiology 115 (2004) 267-281

Fuente: Cienciorama