Para persistir, la vida debe reproducirse. Durante miles de millones de años, los organismos han evolucionado muchas formas de replicarse, desde plantas en ciernes a animales sexuales hasta virus invasores.
Ahora los científicos han descubierto una forma totalmente nueva de reproducción biológica y aplicaron su descubrimiento para crear los primeros robots vivos que se autorreplican.
El mismo equipo que construyó los primeros robots vivos ("Xenobots", reunidos a partir de células de rana—reportado en 2020) ha descubierto que estos organismos diseñados por ordenador y ensamblados a mano pueden nadar hacia su pequeño plato, encontrar células únicas, reunir cientos o f ellos juntos, y juntar Xenobots "bebé" dentro de su "boca" con forma de Pac-Man—eso, unos días después, se convierten en nuevos Xenobots que se ven y se mueven como ellos mismos
Y entonces estos nuevos Xenobots pueden salir, encontrar células y construir copias de sí mismos. Una y otra vez.
"Con el diseño correcto, se auto-replicarán espontáneamente", dice Joshua Bongard, un científico informático y experto en robótica de la Universidad de Vermont que co-dirigió la nueva investigación.
Xenobots: Team builds first living robots that can reproduce by Joshua Brown,
University of Vermont
An AI-designed, Pac-Man-shaped “parent” organism (in
red) beside stem cells that have been compressed into a ball—the
“offspring” (green). Credit: Douglas Blackiston and Sam Kriegman
To persist, life must reproduce. Over billions of years,
organisms have evolved many ways of replicating, from budding plants to
sexual animals to invading viruses.
Now
scientists have discovered an entirely new form of biological
reproduction—and applied their discovery to create the first-ever,
self-replicating living robots.
The same team that built the first living robots ("Xenobots," assembled from frog cells—reported in 2020) has discovered that these computer-designed and hand-assembled organisms can swim out into their tiny dish, find single cells,
gather hundreds of them together, and assemble "baby" Xenobots inside
their Pac-Man-shaped "mouth"—that, a few days later, become new Xenobots
that look and move just like themselves.
And then these new Xenobots can go out, find cells, and build copies of themselves. Again and again.
"With the right design—they will spontaneously self-replicate," says
Joshua Bongard, a computer scientist and robotics expert at the
University of Vermont who co-led the new research.
The results of the new research were published November 29, 2021, in the Proceedings of the National Academy of Sciences.
Into the Unknown
In a Xenopus laevis frog, these embryonic cells would develop into
skin. "They would be sitting on the outside of a tadpole, keeping out
pathogens and redistributing mucus," says Michael Levin, a professor of
biology and director of the Allen Discovery Center at Tufts University
and co-leader of the new research. "But we're putting them into a novel
context. We're giving them a chance to reimagine their
multicellularity."
And what they imagine is something far different than skin. "People
have thought for quite a long time that we've worked out all the ways
that life can reproduce or replicate. But this is something that's never
been observed before," says co-author Douglas Blackiston, the senior
scientist at Tufts University who assembled the Xenobot "parents" and
developed the biological portion of the new study.
"This is profound," says Levin. "These cells have the genome of a frog, but, freed from becoming tadpoles, they use their collective intelligence,
a plasticity, to do something astounding." In earlier experiments, the
scientists were amazed that Xenobots could be designed to achieve simple
tasks. Now they are stunned that these biological objects—a
computer-designed collection of cells—will spontaneously replicate. "We
have the full, unaltered frog genome," says Levin, "but it gave no hint
that these cells can work together on this new task," of gathering and
then compressing separated cells into working self-copies.
"These are frog cells replicating in a way that is very different
from how frogs do it. No animal or plant known to science replicates in
this way," says Sam Kriegman, the lead author on the new study, who
completed his Ph.D. in Bongard's lab at UVM and is now a post-doctoral
researcher at Tuft's Allen Center and Harvard University's Wyss
Institute for Biologically Inspired Engineering.
On its own, the Xenobot parent, made of some 3,000 cells,
forms a sphere. "These can make children but then the system normally
dies out after that. It's very hard, actually, to get the system to keep
reproducing," says Kriegman. But with an artificial intelligence
program working on the Deep Green supercomputer cluster at UVM's Vermont
Advanced Computing Core, an evolutionary algorithm was able to test
billions of body shapes in simulation—triangles, squares, pyramids,
starfish—to find ones that allowed the cells to be more effective at the
motion-based "kinematic" replication reported in the new research.
"We asked the supercomputer at UVM to figure out how to adjust the
shape of the initial parents, and the AI came up with some strange
designs after months of chugging away, including one that resembled
Pac-Man," says Kriegman. "It's very non-intuitive. It looks very simple,
but it's not something a human engineer would come up with. Why one
tiny mouth? Why not five? We sent the results to Doug and he built these
Pac-Man-shaped parent Xenobots. Then those parents built children, who
built grandchildren, who built great-grandchildren, who built
great-great-grandchildren." In other words, the right design greatly
extended the number of generations.
Kinematic replication is well-known at the level of molecules—but it
has never been observed before at the scale of whole cells or organisms.
"We've discovered that there is this previously unknown space within
organisms, or living systems, and it's a vast space," says Bongard, a
professor in UVM's College of Engineering and Mathematical Sciences.
"How do we then go about exploring that space? We found Xenobots that
walk. We found Xenobots that swim. And now, in this study, we've found
Xenobots that kinematically replicate. What else is out there?"
Or, as the scientists write in the Proceedings of the National Academy of Sciences study: "life harbors surprising behaviors just below the surface, waiting to be uncovered."
Responding to Risk
Some people may find this exhilarating. Others may react with
concern, or even terror, to the notion of a self-replicating
biotechnology. For the team of scientists, the goal is deeper
understanding.
"We are working to understand this property: replication. The world
and technologies are rapidly changing. It's important, for society as a
whole, that we study and understand how this works," says Bongard. These
millimeter-sized living machines, entirely contained in a laboratory,
easily extinguished, and vetted by federal, state and institutional
ethics experts, "are not what keep me awake at night. What presents risk
is the next pandemic; accelerating ecosystem damage from pollution;
intensifying threats from climate change," says UVM's Bongard. "This is
an ideal system in which to study self-replicating systems. We have a
moral imperative to understand the conditions under which we can control
it, direct it, douse it, exaggerate it."
Bongard points to the COVID epidemic and the hunt for a vaccine. "The
speed at which we can produce solutions matters deeply. If we can
develop technologies, learning from Xenobots, where we can quickly tell
the AI,: 'We need a biological tool that does X and Y and suppresses Z,'
—that could be very beneficial. Today, that takes an exceedingly long
time." The team aims to accelerate how quickly people can go from
identifying a problem to generating solutions—"like deploying living
machines to pull microplastics out of waterways or build new medicines,"
Bongard says.
"We need to create technological solutions that grow at the same rate as the challenges we face," Bongard says.
And the team sees promise in the research for advancements toward
regenerative medicine. "If we knew how to tell collections of cells to
do what we wanted them to do, ultimately, that's regenerative
medicine—that's the solution to traumatic injury, birth defects, cancer,
and aging," says Levin. "All of these different problems are here
because we don't know how to predict and control what groups of cells are going to build. Xenobots are a new platform for teaching us."
More information:
Kinematic self-replication in reconfigurable organisms, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2112672118Journal information
Un fotocatalizador de aerogel más eficiente produciendo hidrógeno
Un nuevo fotocatalizador hecho a partir de un aerogel podría permitir una producción de hidrógeno más eficiente. La clave es un pretratamiento sofisticado del material.
Un fotocatalizador de aerogel más eficiente produciendo hidrógeno
Un
nuevo fotocatalizador hecho a partir de un aerogel podría permitir una
producción de hidrógeno más eficiente. La clave es un pretratamiento
sofisticado del material.
Los aerogeles son materiales extraordinarios que han establecido
récords mundiales Guinness más de una docena de veces, incluso como los
sólidos más ligeros del mundo.
El profesor Markus Niederberger del Laboratorio de Materiales
Multifuncionales de ETH Zurich ha estado trabajando con estos materiales
especi ...
(c) 2021 Europa Press. Está expresamente prohibida la redistribución y
la redifusión de este contenido sin su previo y expreso consentimiento.
Un fotocatalizador de aerogel más eficiente produciendo hidrógeno
Un
nuevo fotocatalizador hecho a partir de un aerogel podría permitir una
producción de hidrógeno más eficiente. La clave es un pretratamiento
sofisticado del material.
Los aerogeles son materiales extraordinarios que han establecido
récords mundiales Guinness más de una docena de veces, incluso como los
sólidos más ligeros del mundo.
El profesor Markus Niederberger del Laboratorio de Materiales
Multifuncionales de ETH Zurich ha estado trabajando con estos materiales
especi ...
(c) 2021 Europa Press. Está expresamente prohibida la redistribución y
la redifusión de este contenido sin su previo y expreso consentimiento.
Un fotocatalizador de aerogel más eficiente produciendo hidrógeno
Un
nuevo fotocatalizador hecho a partir de un aerogel podría permitir una
producción de hidrógeno más eficiente. La clave es un pretratamiento
sofisticado del material.
Los aerogeles son materiales extraordinarios que han establecido
récords mundiales Guinness más de una docena de veces, incluso como los
sólidos más ligeros del mundo.
El profesor Markus Niederberger del Laboratorio de Materiales
Multifuncionales de ETH Zurich ha estado trabajando con estos materiales
especi ...
Los investigadores
de la Universidad de Princeton y la Universidad de Washington han
desarrollado una cámara ultracompacta del tamaño de un grano de sal
grueso. El sistema se basa en una tecnología denominada metasuperficie,
que está tachonada de 1,6 millones de postes cilíndricos y puede
fabricarse de forma similar a un chip de ordenador. Crédito: Universidad
de Princeton
Las microcámaras tienen
un gran potencial para detectar problemas en el cuerpo humano y
permitir la detección de robots superpequeños, pero los enfoques
anteriores capturaban imágenes borrosas y distorsionadas con campos de
visión limitados.
Ahora, investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Washington
han superado estos obstáculos con una cámara ultracompacta del tamaño
de un grano de sal grueso. El nuevo sistema puede producir imágenes
nítidas y a todo color a la par que una lente de cámara compuesta
convencional 500.000 veces mayor en volumen, según informan los
investigadores en un artículo publicado el 29 de noviembre en Nature Communications.
Gracias
al diseño conjunto del hardware de la cámara y el procesamiento
computacional, el sistema podría permitir la endoscopia mínimamente
invasiva con robots médicos para diagnosticar y tratar enfermedades, y
mejorar la obtención de imágenes para otros robots con limitaciones de
tamaño y peso. Podrían utilizarse matrices de miles de estas cámaras
para detectar toda la escena, convirtiendo las superficies en cámaras.
Mientras
que una cámara tradicional utiliza una serie de lentes de cristal o
plástico curvados para enfocar los rayos de luz, el nuevo sistema óptico
se basa en una tecnología denominada metasuperficie, que puede
fabricarse de forma similar a un chip de ordenador. La metasuperficie,
de apenas medio milímetro de ancho, está salpicada de 1,6 millones de
postes cilíndricos, cada uno del tamaño aproximado del virus de la
inmunodeficiencia humana (VIH).
Cada
poste tiene una geometría única y funciona como una antena óptica. Es
necesario variar el diseño de cada poste para conformar correctamente
todo el frente de onda óptico. Con la ayuda de algoritmos basados en el
aprendizaje automático, las interacciones de los postes con la luz se
combinan para producir las imágenes de mayor calidad y el campo de
visión más amplio para una cámara de metasuperficie a todo color
desarrollada hasta la fecha.
Una innovación clave en la creación
de la cámara fue el diseño integrado de la superficie óptica y los
algoritmos de procesamiento de señales que producen la imagen. Esto
aumentó el rendimiento de la cámara en condiciones de luz natural, en
contraste con las anteriores cámaras de metasuperficie que requerían la
luz láser pura de un laboratorio u otras condiciones ideales para
producir imágenes de alta calidad, dijo Felix Heide, autor principal del
estudio y profesor adjunto de informática en Princeton.
Los
investigadores compararon las imágenes producidas con su sistema con los
resultados de anteriores cámaras de metasuperficie, así como con las
imágenes captadas por una óptica compuesta convencional que utiliza una
serie de seis lentes refractivas. Aparte de un poco de desenfoque en los
bordes del encuadre, las imágenes de la cámara de tamaño nanométrico
eran comparables a las de la configuración tradicional de lentes, cuyo
volumen es más de 500.000 veces mayor.
Otros objetivos
ultracompactos de metasuperficie han sufrido importantes distorsiones de
la imagen, campos de visión reducidos y una capacidad limitada para
captar todo el espectro de luz visible, lo que se conoce como imagen RGB
porque combina el rojo, el verde y el azul para producir diferentes
tonos.
"Ha sido todo un reto diseñar y configurar estas pequeñas
microestructuras para que hagan lo que uno quiere", afirma Ethan Tseng,
estudiante de doctorado en ciencias de la computación de Princeton que
ha codirigido el estudio. "Para esta tarea específica de capturar
imágenes RGB de gran campo de visión, es un reto porque hay millones de
estas pequeñas microestructuras, y no está claro cómo diseñarlas de
forma óptima".
Las
anteriores cámaras de tamaño micro (izquierda) captaban imágenes
borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados. Un nuevo
sistema denominado nanoóptica neural (derecha) puede producir imágenes
nítidas y a todo color, a la par que una lente de cámara compuesta
convencional. Crédito: Universidad de Princeton
El
coautor principal, Shane Colburn, abordó este reto creando un simulador
computacional para automatizar las pruebas de diferentes
configuraciones de nanoantenas. Debido al número de antenas y a la
complejidad de sus interacciones con la luz, este tipo de simulación
puede utilizar "cantidades ingentes de memoria y tiempo",
afirma Colburn. Desarrolló un modelo para aproximar eficazmente la
capacidad de producción de imágenes de las metasuperficies con
suficiente precisión.
"Aunque el enfoque del diseño óptico
no es nuevo, este es el primer sistema que utiliza una tecnología óptica
de superficie en la parte delantera y un procesamiento basado en la
neurona en la parte trasera", dijo Joseph Mait, consultor de
Mait-Optik y antiguo investigador principal y científico jefe del
Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos.
"La
importancia del trabajo publicado es completar la hercúlea tarea de
diseñar conjuntamente el tamaño, la forma y la ubicación de los millones
de rasgos de la metasuperficie y los parámetros del procesamiento
posterior a la detección para lograr el rendimiento de imagen deseado",
añadió Mait, que no participó en el estudio.
Fuente, créditos y referencias:
Ethan Tseng et al, Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26443-0
Las cámaras de tamaño micro tienen un gran potencial para detectar problemas en el cuerpo humano y permitir la detección de robots superpequeños, pero los enfoques pasados capturaron imágenes borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados. Ahora, los investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Washington han superado estos obstáculos con una cámara ultracompacta del tamaño de un grano grueso de sal. El nuevo sistema puede producir imágenes nítidas y a todo color a la par con una lente de cámara compuesta convencional 500.000 veces más grande en volumen, según informaron los investigadores en un artículo publicado el 29 de noviembre en Nature Communications. Permitido por un diseño conjunto del hardware de la cámara y el procesamiento computacional, el sistema podría permitir una endoscopia mínimamente invasiva con robots médicos para diagnosticar y tratar enfermedades, y mejorar la formación de imágenes para otros robots con tamaño y peso No hay. Arrays de miles de cámaras de este tipo podrían usarse para detección de escena completa, convirtiendo superficies en cámaras. Mientras que una cámara tradicional utiliza una serie de lentes de vidrio curvo o plástico para doblar los rayos de luz en el foco, el nuevo sistema óptico se basa en una tecnología llamada metasuperficie, que puede ser producida al igual que un chip de comp Solo medio milímetro de ancho, la metassuperficie está tachonada con 1,6 millones de postes cilíndricos, cada uno aproximadamente del tamaño del virus de inmunodeficiencia humana (VIH).
Las cámaras de tamaño micro tienen un gran potencial para
detectar problemas en el cuerpo humano y permitir la detección de robots
súper pequeños, pero los enfoques anteriores capturaron imágenes
borrosas y distorsionadas con campos de visión limitados.
Ahora, investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad
de Washington han superado estos obstáculos con una cámara
ultracompacta del tamaño de un grano de sal grueso. El nuevo sistema
puede producir imágenes nítidas y a todo color a la par con una lente de
cámara compuesta convencional 500.000 veces más grande en volumen,
informaron los investigadores en un artículo publicado el 29 de
noviembre en Comunicaciones de la naturaleza.
Habilitado por un diseño conjunto del hardware de la cámara y el
procesamiento computacional, el sistema podría permitir una endoscopia
mínimamente invasiva con robots médicos para diagnosticar y tratar
enfermedades, y mejorar la obtención de imágenes para otros robots con
limitaciones de tamaño y peso. Se podrían usar matrices de miles de
cámaras de este tipo para la detección de escena completa, convirtiendo
superficies en cámaras.
Mientras que una cámara tradicional usa una serie de lentes de vidrio
o plástico curvados para enfocar los rayos de luz, el nuevo sistema
óptico se basa en una tecnología llamada metasuperficie, que se puede
producir de manera muy similar a un chip de computadora. Con solo medio
milímetro de ancho, la metasuperficie está tachonada con 1,6 millones de
postes cilíndricos, cada uno aproximadamente del tamaño del virus de
inmunodeficiencia humana (VIH).
Cada poste tiene una geometría única y funciona como una antena
óptica. Es necesario variar el diseño de cada poste para dar forma
correctamente a todo el frente de onda óptica. Con la ayuda de
algoritmos basados en aprendizaje automático, las interacciones de las
publicaciones con la luz se combinan para producir imágenes de la más
alta calidad y el campo de visión más amplio para una cámara de
metasuperficie a todo color desarrollada hasta la fecha.
Una
innovación clave en la creación de la cámara fue el diseño integrado de
la superficie óptica y los algoritmos de procesamiento de señales que
producen la imagen. Esto impulsó el rendimiento de la cámara en
condiciones de luz natural, en contraste con las cámaras de
metasuperficie anteriores que requerían la luz láser pura de un
laboratorio u otras condiciones ideales para producir imágenes de alta
calidad, dijo Felix Heide, autor principal del estudio y profesor
asistente de informática. ciencia en Princeton.
Los investigadores compararon las imágenes producidas con su sistema
con los resultados de cámaras de metasuperficie anteriores, así como con
las imágenes capturadas por una óptica compuesta convencional que
utiliza una serie de seis lentes refractivas. Aparte de un poco de
desenfoque en los bordes del marco, las imágenes de la cámara de tamaño
nanométrico eran comparables a las de la configuración de lente
tradicional, que es más de 500.000 veces mayor en volumen.
Otras lentes de metasuperficie ultracompactas han sufrido
distorsiones de imagen importantes, campos de visión pequeños y
capacidad limitada para capturar el espectro completo de luz visible, lo
que se conoce como imágenes RGB porque combina rojo, verde y azul para
producir diferentes tonos.
“Ha sido un desafío diseñar y configurar estas pequeñas
microestructuras para hacer lo que uno quiere”, dijo Ethan Tseng, un
Ph.D. en ciencias de la computación. estudiante de Princeton que
codirigió el estudio. “Para esta tarea específica de capturar imágenes
RGB de gran campo de visión, es un desafío porque hay millones de estas
pequeñas microestructuras y no está claro cómo diseñarlas de manera
óptima”.
El
coautor principal, Shane Colburn, abordó este desafío creando un
simulador computacional para automatizar las pruebas de diferentes
configuraciones de nano antenas. Debido al número de antenas y la
complejidad de sus interacciones con la luz, este tipo de simulación
puede usar “cantidades masivas de memoria y tiempo”, dijo Colburn.
Desarrolló un modelo para aproximar de manera eficiente las capacidades
de producción de imágenes de las metasuperficies con suficiente
precisión.
Colburn, quien realizó el trabajo como Ph.D. estudiante del
Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de
Washington (UW ECE), donde ahora es profesor asistente afiliado. También
dirige el diseño de sistemas en Tunoptix, una empresa con sede en
Seattle que comercializa tecnologías de imágenes de metasuperficie.
Tunoptix fue cofundada por la asesora graduada de Colburn, Arka
Majumdar, profesora asociada de la Universidad de Washington en los
departamentos de ECE y física y coautora del estudio.
El coautor James Whitehead, Ph.D. estudiante de UW ECE, fabricó las
metasuperficies, que se basan en nitruro de silicio, un material similar
al vidrio que es compatible con los métodos de fabricación de
semiconductores estándar utilizados para chips de computadora, lo que
significa que un diseño de metasuperficie dado podría producirse en masa
fácilmente a un costo menor que los objetivos de las cámaras
convencionales.
“Aunque el enfoque del diseño óptico no es nuevo, este es el primer
sistema que utiliza una tecnología óptica de superficie en la parte
frontal y un procesamiento basado en los nervios en la parte posterior”,
dijo Joseph Mait, consultor de Mait-Optik y ex senior investigador y
científico jefe del Laboratorio de Investigación del Ejército de los
Estados Unidos.
“La
importancia del trabajo publicado es completar la tarea hercúlea de
diseñar conjuntamente el tamaño, la forma y la ubicación del millón de
características de la metasuperficie y los parámetros del procesamiento
posterior a la detección para lograr el rendimiento de imagen deseado”,
agregó Mait, que no participó. en el estudio.
Heide y sus colegas ahora están trabajando para agregar más
capacidades computacionales a la propia cámara. Más allá de optimizar la
calidad de la imagen, les gustaría agregar capacidades para la
detección de objetos y otras modalidades de detección relevantes para la
medicina y la robótica.
Heide también prevé el uso de generadores de imágenes ultracompactos
para crear “superficies como sensores”. “Podríamos convertir superficies
individuales en cámaras que tienen una resolución ultra alta, por lo
que ya no necesitaría tres cámaras en la parte posterior de su teléfono,
pero toda la parte posterior de su teléfono se convertiría en una
cámara gigante. Podemos pensar en una cámara completamente diferente
formas de construir dispositivos en el futuro “, dijo.
Además de Tseng, Colburn, Whitehead, Majumdar y Heide, los autores
del estudio incluyen a Luocheng Huang, un Ph.D. estudiante de la
Universidad de Washington; y Seung-Hwan Baek, investigador asociado
postdoctoral en Princeton.
El trabajo fue apoyado en parte por la National Science Foundation,
el Departamento de Defensa de EE. UU., UW Reality Lab, Facebook, Google,
Futurewei Technologies y Amazon.
Researchers at Princeton University and the University
of Washington have developed an ultracompact camera the size of a coarse
grain of salt. The system relies on a technology called a metasurface,
which is studded with 1.6 million cylindrical posts and can be produced
much like a computer chip. Credit: Princeton University
Micro-sized cameras have great potential to spot problems in
the human body and enable sensing for super-small robots, but past
approaches captured fuzzy, distorted images with limited fields of view.
Now, researchers at Princeton University and the University of Washington have overcome these obstacles with an ultracompact camera the size of a coarse grain of salt. The new system can produce crisp, full-color images
on par with a conventional compound camera lens 500,000 times larger in
volume, the researchers reported in a paper published Nov. 29 in Nature Communications.
Enabled by a joint design of the camera's hardware and computational
processing, the system could enable minimally invasive endoscopy with
medical robots to diagnose and treat diseases, and improve imaging for
other robots with size and weight constraints. Arrays of thousands of
such cameras could be used for full-scene sensing, turning surfaces into
cameras.
While a traditional camera uses a series of curved glass or plastic lenses to bend light rays
into focus, the new optical system relies on a technology called a
metasurface, which can be produced much like a computer chip. Just half a
millimeter wide, the metasurface is studded with 1.6 million
cylindrical posts, each roughly the size of the human immunodeficiency
virus (HIV).
Each post has a unique geometry, and functions like an optical
antenna. Varying the design of each post is necessary to correctly shape
the entire optical wavefront. With the help of machine learning-based
algorithms, the posts' interactions with light combine to produce the
highest-quality images and widest field of view for a full-color
metasurface camera developed to date.
A key innovation in the camera's creation was the integrated design
of the optical surface and the signal processing algorithms that produce
the image. This boosted the camera's performance in natural light
conditions, in contrast to previous metasurface cameras that required
the pure laser light of a laboratory or other ideal conditions to
produce high-quality images, said Felix Heide, the study's senior author
and an assistant professor of computer science at Princeton.
The researchers compared images produced with their system to the
results of previous metasurface cameras, as well as images captured by a
conventional compound optic that uses a series of six refractive
lenses. Aside from a bit of blurring at the edges of the frame, the
nano-sized camera's images were comparable to those of the traditional
lens setup, which is more than 500,000 times larger in volume.
Other ultracompact metasurface lenses have suffered from major image
distortions, small fields of view, and limited ability to capture the
full spectrum of visible light—referred to as RGB imaging because it
combines red, green and blue to produce different hues.
"It's been a challenge to design and configure these little
microstructures to do what you want," said Ethan Tseng, a computer
science Ph.D. student at Princeton who co-led the study. "For this
specific task of capturing large field of view RGB images, it's
challenging because there are millions of these little microstructures,
and it's not clear how to design them in an optimal way."
Previous micro-sized cameras (left) captured fuzzy,
distorted images with limited fields of view. A new system called neural
nano-optics (right) can produce crisp, full-color images on par with a
conventional compound camera lens. Credit: Princeton University
Co-lead author Shane Colburn tackled this challenge by creating a
computational simulator to automate testing of different nano-antenna
configurations. Because of the number of antennas and the complexity of
their interactions with light, this type of simulation can use "massive
amounts of memory and time," said Colburn. He developed a model to
efficiently approximate the metasurfaces' image production capabilities
with sufficient accuracy.
Colburn, que realizó el trabajo como estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Washington (UW ECE), donde ahora es profesor asistente afiliado. También dirige el diseño de sistemas en Tunoptix, una empresa con sede en Seattle que comercializa tecnologías de imagen de metasuperficie. Tunoptix fue cofundada por Arka Majumdar, asesora de posgrado de Colburn, profesora asociada de la Universidad de Washington en los departamentos de ECE y física y coautora del estudio.
El coautor James Whitehead, estudiante de doctorado en ECE de la UW, fabricó las metasuperficies, que se basan en el nitruro de silicio, un material similar al vidrio que es compatible con los métodos estándar de fabricación de semiconductores utilizados para los chips de ordenador, lo que significa que un diseño de metasuperficie determinado podría producirse fácilmente en masa a un coste inferior al de las lentes de las cámaras convencionales.
"Aunque el enfoque del diseño óptico no es nuevo, éste es el primer sistema que utiliza una tecnología óptica de superficie en la parte delantera y un procesamiento basado en la neurona en la parte trasera", afirma Joseph Mait, consultor de Mait-Optik y antiguo investigador principal y científico jefe del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos.
"La importancia del trabajo publicado es completar la hercúlea tarea de diseñar conjuntamente el tamaño, la forma y la ubicación de los millones de rasgos de la metasuperficie y los parámetros del procesamiento posterior a la detección para lograr el rendimiento de imagen deseado", añadió Mait, que no participó en el estudio.
Heide y sus colegas están trabajando ahora para añadir más capacidades computacionales a la propia cámara. Además de optimizar la calidad de la imagen, les gustaría añadir capacidades de detección de objetos y otras modalidades de detección relevantes para la medicina y la robótica.
Heide también prevé utilizar las cámaras ultracompactas para crear "superficies como sensores". "Podríamos convertir superficies individuales en cámaras de altísima resolución, de modo que ya no se necesitarían tres cámaras en la parte trasera del teléfono, sino que toda la parte trasera del teléfono se convertiría en una cámara gigante. Podemos pensar en formas completamente diferentes de construir dispositivos en el futuro", dijo.
¿Qué es la razón? ¿Por qué debes entrenarla a pesar de que no esté de moda?
¿Por qué luchar por ella aún cuando parezcas el rarito del grupo?
¿Por qué si estás preocupado por los débiles y los oprimidos necesitas conocer las herramientas de la razón?
¿Por qué este es el artículo más importante desde que creé Polymatas?
Con
ayuda de Steven Pinker, el adalid de la racionalidad, espero responder a
estas preguntas e inspirarte para que tú también te conviertas en un
defensor de la razón. ¡Vamos a ello!
La razón es la capacidad de usar el conocimiento (creencias verdaderas) para alcanzar tus objetivos. La razón es un medio para llegar a un fin.
Conocemos
de sobra los principios y herramientas que nos acercan a la razón, son
el pensamiento crítico, la lógica, la probabilidad, la correlación y la
causalidad. La razón debe asentarse en unos primeros principios
incuestionables. Abrazar esta idea es el único modo en el que te puedes
sentar con alguien a debatir para llegar a la verdad.
Imagina que
dos ingenieros están debatiendo sobre cuál es el diseño aerodinámico
que deben tener las alas de un avión. Mientras uno está proponiendo un
tipo de ala en forma de arco el otro le dice: “Lo que dices está muy
bien, pero ¿por qué ponerle alas al avión? Sin ellas será más ligero y
aerodinámico”. El que ha hecho la propuesta le responde sorprendido:
“Sin alas el avión se cae”. Y el otro le exclama “¿Quién dice eso?”.
Esta conversación puede parecer absurda, pero me viene genial para
explicar la necesidad de dar por válidos unos principios
incuestionables. Sin la creencia compartida de que la gravedad existe y
ejerce una fuerza sobre todos los cuerpos grandes, los ingenieros nunca
podrían tener una conversación efectiva. Esto mismo pasa cuando dos
personas debaten sobre cualquier tema y una de ellas no acepta los
principios de la razón.
¿Somos seres racionales?
En los últimos años los numerosos estudios en economía conductual y el famoso libro Pensar rápido, pensar despacio
de Kahneman y Tversky han popularizado la idea de que los humanos somos
profundamente irracionales. Echando un vistazo a la Wikipedia verás que
hay documentados unos cien sesgos mentales. Nuestra mente parece plagada de defectos cognitivos que nos hacen comportarnos de forma estúpida en multitud de situaciones.
La
realidad es que ni éramos tan racionales como parecía antes de los años
80 ni somos tan irracionales como puede parecer ahora.
En el
desarrollo de las tareas y actividades diarias que nos permiten
funcionar y sobrevivir somos bastante racionales. Si no lo fuéramos no
estaríamos aquí. Se dice que nuestra especie ocupa el nicho cognitivo.
O sea, que nuestras ventajas adaptativas se basan en acumular
conocimiento y usarlo adecuadamente para conseguir nuestros objetivos.
El psicólogo Steven Pinker afirma que nacemos con una racionalidad ecológica,
una forma de pensar orientada a lidiar con problemas concretos con los
que convivieron nuestros ancestros en su día a día: evitar ser
engañados, detectar peligros o controlar que nuestros allegados cumplan
sus obligaciones. Louis Liebengerg de la universidad de Harvard ha estudiado
a los miembros de la tribu sans del desierto del Kalahari, que son
francamente hábiles en la caza de persistencia. Y ha comprobado que para
llevarla a cabo con éxito tienen que usar el pensamiento crítico, la
deducción, ser capaces de diferenciar correlación de causalidad y de
hacer ciertos cálculos de probabilidades. Lo que diferencia a los
cazadores sans de los filósofos es que los primeros ponen en práctica
estas habilidades de una manera intuitiva y las utilizan para problemas
específicos de su entorno mientras que los segundos usan y diseñan
sistemas formales que nos ayudan con retos complejos a los que los sans
no se tienen que enfrentar, como por ejemplo comprender y afrontar el
cambio climático.
Entonces,
si tenemos una predisposición natural para el pensamiento racional,
¿por qué dilapidamos nuestro dinero en la lotería y no ahorramos lo
suficiente para la vejez? La racionalidad, como puedes empezar a intuir,
no es un poder que uno tiene o no tiene. En realidad es un conjunto de
herramientas que todos tenemos y que usamos para conseguir objetivos
particulares en mundos particulares.
En general somos malos
usando la lógica formal o haciendo cálculos probabilísticos complejos
porque ambas herramientas son ajenas al contexto en el que evolucionamos
la mayor parte de nuestra historia. Y aquí es donde la
educación formal es crucial, ya que se encarga de instruirnos en lo que
no es intuitivo ni natural para nosotros pero es importante para la vida
y el progreso en el siglo XXI.
Un ámbito en el que la irracionalidad se hace visible es el de las teorías de la conspiración, las fake news
y todas esas cosas absurdas que siempre han existido pero que han
proliferado en el caldo de cultivo de las redes sociales. Nos guste o
no, el estado natural del ser humano es creer en esas cosas. Durante
nuestra evolución no ha existido ningún motivo para creer que la
mitología de la creación del universo o de nuestras leyendas
fundacionales fuesen reales. Sin embargo, esas historias eran
profundamente inspiradoras y servían para unirnos y empoderarnos. Siempre
hemos tenido un pensamiento realista con nuestro entorno cercano, ya
que nuestra supervivencia dependía de ello, pero cuando se trataba de lo
distante, lo lejano y lo antiguo, el pensamiento mitológico es el que
predominaba.
Como hijos de la Ilustración,
buscamos extender el mundo realista a todos los ámbitos. Nos preocupa
que la historia de la creación, el mundo microscópico o el cosmos quede
en manos de los místicos, religiosos y charlatanes. Y aunque extender el
conocimiento científico y racional a los confines de lo imaginable es
el ideal de una sociedad ilustrada, no es la forma natural que tiene la
mente humana de creer. La mente está adaptada para comprender lo remoto y
lo inaccesible a través de la mentalidad mitológica.
Este es el motivo por el que, en muchos países desarrollados como EEUU, buena parte de la población cree en la mitología de la creación del mundo cristiana
o tanta gente se agarra a los mitos fundacionales de sus países aunque
no tengan una base histórica. Lo importante para ellos no es la certeza
histórica sino los símbolos y las historias con las que se identifican y
que les unen a otros miembros de su grupo.
Sin entender la paradoja de la convivencia entre una mente realista y otra mitológica no podremos entender nada.
La razón no es cool
Una de las dificultades que encuentra la difusión de la razón es que no es emocionante, al menos no para la mayoría de la gente.
Las películas, novelas y canciones se centran en tocar nuestros botones emocionales. Si coges ahora mismo el listado de películas más vistas
de la historia, los temas predominantes son el amor romántico, la
venganza, la intriga, la traición… Los ladrillos de la ficción son
principalmente emocionales, no racionales. Vislumbrar la verdad, dar
forma a una idea que te haga entender mejor la realidad o percibir la
belleza matemática pueden llegar a ser actividades emocionantes para
muchos de nosotros, pero para llegar ahí, antes necesitas una base de
conocimientos que no todo el mundo tiene y que se adquiere con tiempo y
esfuerzo.
Divulgadores como Richard Feynman o Carl Sagan dieron
pasos de gigante acercando los conocimientos profundos de la ciencia a
muchísima gente. Para hacerlo, sin duda tuvieron que recurrir a
historias hermosas e imágenes impactantes que despertaron nuestra
curiosidad innata y el deseo por saber más. Por cierto, ahora puedes ver
gratis la serie de Cosmos original en Youtube. En mi opinión, ese es el camino. Pensar que podemos promover la razón sin recurrir a la narración para despertar el interés de la gente es un error.
Carl Sagan en la mítica serie Cosmos
Algunas corrientes filosóficas de las últimas décadas como la Teoría crítica y el Posmodernismo
tampoco han ayudado mucho a promover las ideas de la Ilustración. En lo
más profundo de estas teorías filosóficas hay una idea que choca
frontalmente con la Ilustración: la verdad no existe sino que es una construcción social que justifica el privilegio de los grupos dominantes.
Pero
si no existe una verdad, ¿para qué habríamos de buscarla? Si cada uno
tiene su propia verdad, ¿por qué debatir para acercarnos a una verdad
absoluta que no existe?
Es fácil promover la subjetividad
y el relativismo, la emoción y el sentimiento, porque todos podemos ser
emotivos y sentimentales y todos podemos conectar con un mensaje así.
La cuestión es, ¿adónde nos lleva eso? ¿al todo vale? ¿al desprestigio de la razón y la ciencia?
¿Por qué ser racional?
Si quieres algo, la racionalidad es lo que te permite conseguirlo.
Lo
contrario de la razón: la fé, la creencia irracional o la superstición
podría llevarte a conseguir tus objetivos, pero no es probable que
suceda. Creer en que la homeopatía te curará un cáncer no va a hacer que
te pongas bien. Como mucho hará algo de efecto placebo y puntualmente
puede que te sientas mejor, pero poco más.
Ningún ser humano
puede ser racional en todo momento y nadie puede alcanzar la verdad
absoluta. Pero admitir que existe una verdad, aunque no podamos
alcanzarla, nos impulsa a buscarla, a cooperar para sumar fuerzas en la
búsqueda de un objetivo noble.
Los daños de la sinrazón
Por el contrario, ir por la vida desdeñando la razón provoca mucho daño.
El activista del pensamiento crítico Tim Farley creó una Web en la que
fue recogiendo ejemplos concretos del daño provocado por la sinrazón.
Esta Web llamada What’s the Harm
(¿Cuál es el daño?) lista cientos de ejemplos que suman cientos de
miles de muertes y miles de millones de dólares en pérdidas que
ocurrieron por culpa de estupideces de todo tipo. El siguiente es un
ejemplo extraído de su Web:
“¿Cuál es el daño en una iglesia
de sanación por la fe? Ginnifer luchó por su vida durante cuatro horas.
Travis Mitchell, su padre, “le impuso las manos” y la familia se turnaba
rezando mientras ella luchaba por respirar y cambiaba de color. ‘Supe
que estaba muerta cuando dejó de gritar’, dijo Mitchell.”
Este
es solo uno de los cientos de sobrecogedores mini-relatos que ha
recopilado Farley para demostrar el daño que puede provocar creencias
irracionales como los exorcismos, la acupuntura, la astrología, la
negación de las vacunas o la homeopatía.
Es cierto que no
seríamos racionales si nos dejásemos llevar solo por anécdotas. Para
comprobar el daño provocado por un comportamiento irracional Bruine de
Bruin y otros colegas estudiaron
la relación que había entre las competencias de razonamiento de un
conjunto de personas con su calidad de vida. Descubrieron, sin mucha
sorpresa por mi parte, que cuanto más racionales eran los sujetos, menos debacles ocurrían en sus vidas. Cuando hablo de debacles me refiero a accidentes, fracasos laborales, embarazos no deseados, etc.
¿Por qué son necesarias las reglas de la razón?
Las reglas de la razón se crearon para limitar los sesgos e intereses individuales que todos tenemos.
La lógica, el pensamiento crítico, la probabilidad o el razonamiento
empírico fueron propuestas y revisadas por filósofos, matemáticos e
instituciones como la Ciencia para evitar que las personas pudiesen
imponer sus objetivos a los demás.
La revisión por pares, la
división de poderes y la libertad de prensa son tres buenos ejemplos de
instituciones que hunden sus raíces en la razón y que nacieron para que
las ambiciones opuestas se anulasen entre sí. Estas instituciones
reconocen la naturaleza humana y a lo largo de la historia, han ido
rediseñándose para limitar el poder de unos pocos, reducir el engaño de
los parásitos y acercarnos a la verdad y la justicia. El quisquilloso
podría decir que existe una crisis de replicación en las ciencias sociales,
que los tribunales son injustos en muchas ocasiones y que la libertad
de prensa provoca que algunos medios digan barrabasadas y acentúen la
polarización. Y probablemente esté en lo cierto. Pero para poder evaluar
las instituciones modernas con equidad deberíamos compararlas primero
con sus alternativas, es decir, con la ausencia de las mismas (la
anarquía) o la existencia de otras que predominaron en el pasado como la
Iglesia o los gobiernos absolutos.
La prueba de que la razón es válida es que funciona.
La mayoría de los relativistas que dicen sin pudor que no existe una
verdad, en su vida diaria dan antibióticos a sus hijos cuando tienen una
infección y ponen sobre la mesa evidencias y usan la lógica cuando
discuten una subida de sueldo con su jefe. Y aunque el
relativismo suele rodearse de un halo moral, los relativistas se quedan
sin respuestas cuando les planteas cuestiones como la inmoralidad del
Holocausto o la verdad científica del Cambio Climático, de las
que suelen ser firmes defensores. Esa falta de consistencia intelectual y
de coherencia en sus ideas da a entender que en el fondo no tienen un
compromiso real con aquello de que todo es relativo.
Razones para razonar con los demás
Pongamos
que estás seguro de tener la razón en un asunto. Por ejemplo, tu idea
de que el libre mercado es mejor que el proteccionismo para conseguir la
prosperidad económica. ¿Por qué razonar con los que no piensan como tú?
¿No es una pérdida de tiempo? ¿No sería preferible hacer piña con tu
grupo y luchar por tus ideales?
Si admites que es lícito negarte a
razonar con el que piensa diferente, estás admitiendo que el otro
decida no sentarse a razonar contigo. Además, estás asumiendo que eres
infalible, que no puedes estar equivocado, lo cual es contrario a la
razón. ¿Qué es lo que te diferencia entonces de tus adversarios
irracionales?
Si necesitas silenciar a los que no piensan como tú, ¿no será que eres incapaz de argumentar de forma convincente?
En
ausencia de diálogo racional se impone la demagogia, la mentira y la
fuerza. Por lo tanto, pese a que argumentar y dar evidencias puede ser
cansado, difícil, incluso a veces una pérdida de tiempo. Pienso que
estamos moralmente obligados a hacerlo para no dejar que la sinrazón y
el todo vale se conviertan en la norma imperante.
Los que niegan la razón
El
problema con la razón es que se necesitan dos para bailar un tango. La
persona que está al otro lado puede decidir que tus demandas y
argumentos son parte del problema y sentir que no necesita persuadirte.
Las personas seguras de tener la razón pueden intentar imponer sus
creencias por la fuerza.
Justamente esto es lo que hacen los
regímenes autoritarios que encarcelan o incluso asesinan a aquellos que
opinan diferente. Si bien las democracias están más protegidas, la cultura de la cancelación o la censura en las universidades
son algunos de los métodos que utilizan aquellos que no quieren
razonar. Una persona razonable en su vida normal, si se siente muy
seguro con sus creencias morales y se identifica mucho con ellas, puede
convertirse en un intolerante que crea que no tiene que razonarlas ni
justificarlas.
La razón y la justicia social
Ninguna causa moral o política debe estar fuera del escrutinio de la razón. La búsqueda de la justicia social
parte de la idea de que unos grupos sociales oprimen a otros. Esas
ideas también deben ser validadas por la razón y las evidencias porque
podrían estar equivocadas. El aparente virtuosismo moral de una idea no
debe ser excusa para ser no ser sometida a las reglas de la razón.
De
igual manera, si la razón y las evidencias señalan que hay una opresión
sistemática, por ejemplo de los blancos hacia negros en EEUU, las
medidas para eliminar esa injusticia deben ser racionales. ¿Debemos
crear leyes que den más facilidades a los negros para que se cierre la
brecha de oportunidades? ¿Necesitamos políticas educativas que promuevan
la mezcla de razas en las escuelas? Solo la razón, la investigación y
la ciencia rigurosa puede responder a estas preguntas con eficacia. Las
políticas sentimentalistas, impulsivas o populistas no ayudarán a los
negros, solo beneficiarán a los políticos y activistas que las
promuevan, haciéndoles sentir mejor por pensar que están ayudando a los
más desfavorecidos.
Concentración
del movimiento «Black Lives Matter» que tuvo lugar el 8 de julio de
2016 en Londres. / Foto: Flickr (Alisdare Hickson)
Emociones, moral y razón
¿Debemos
seguir siempre la razón? ¿Debe dictarme la razón mis gustos, mis
intereses o de quién me enamoro? ¿Tiene algo que decir sobre la belleza y
la bondad?
Aunque el amor, la belleza o la bondad no son literalmente racionales, tampoco son exactamente irracionales.
La razón es el medio para un fin. No nos dice cuál debe ser ese fin ni tampoco si debemos perseguirlo.
Pero
en ocasiones la razón puede oponerse a las emociones. Casi todos
nosotros nos mantenemos lejos de los exaltados, los locos y los
irracionales porque son impredecibles y nos asusta su comportamiento.
También lamentamos nuestros actos irracionales e irreflexivos. Todo esto
nos lleva a la frase de que “las pasiones deben ser esclavas de la
razón”.
La razón es necesaria cuando varios de nuestros objetivos
son incompatibles entre sí o con los de otras personas o seres.
Consideramos sabio al que es capaz de elegir mejor entre distintos
objetivos quien tiene una férrea moral y evita que sus objetivos pasen
por encima de los demás.
Steven Pinker piensa que los grandes
progresos morales han tenido su origen en las ideas de filósofos y
pensadores. Otros intelectuales son más partidarios de la Teoría del Conflicto,
que propone que el progreso se consigue mediante la lucha, ya que los
poderosos jamás renuncian a sus privilegios y los desfavorecidos deben
hacer piña para arrebatarles el poder. Sin embargo, Pinker argumenta que
siempre que rastrea el origen de los grandes avances sociales
se encuentra a personas que usaron la razón para argumentar que se
estaba cometiendo una injusticia. Estas nuevas ideas se
transformaban en textos que se hacían virales, se discutían en salones y
cafés y acababan calando en los dirigentes, legisladores y la opinión
popular. Con el tiempo esas ideas se fusionaban con tradiciones y normas
sociales y dejaban de ser cuestionados. Finalmente, la mayor parte de
la gente olvidaba sus orígenes.
Muchos de estos progresos
se consiguieron porque alguien exponía las inconsistencias entre la
moral imperante y la injusticia que era objeto de denuncia.
“Puede
que llegue el día en que el resto de la creación animal adquiera esos
derechos que jamás podrían habérseles denegado más que de la mano de la
tiranía. Los franceses ya han descubierto que la negrura de la piel no
es una razón para que se abandone sin reparación a un ser humano al
capricho de un verdugo. Puede que llegue el día en que se reconozca que
el número de patas, la vellosidad de la piel o la terminación del hueso
sacro son razones igualmente insuficientes para abandonar a un ser
sintiente a la misma suerte. ¿Qué otra cosa debería trazar la línea
insuperable? ¿Acaso la facultad de la razón o tal vez la facultad del
discurso? Pero un caballo o un perro adulto es, más allá de cualquier
comparación, un animal más racional y sociable que un bebé de un día,
una semana o incluso un mes. Pero supongamos que no fuese así. ¿Qué
cambiaría? La cuestión no es si pueden razonar ni si pueden hablar, sino
si pueden sufrir.”
Retrato de Jeremy Bentham de Henry William Pickersgil
En
este fragmento de su libro, Bentham invitaba a sus coetáneos a
reflexionar sobre los criterios relevantes para considerar valiosa la
vida de un ser. Si el color de la piel no debería ser el criterio
principal, algo que al parecer los franceses ya habían interiorizado,
¿por qué otros rasgos físicos sí lo eran? Si la capacidad de razonar no
lo era, ya que un bebé tampoco razona, ¿cuál debería ser ese criterio?
Basándose en premisas socialmente aceptadas, Bentham construye un
argumento que concluye que la capacidad de sufrir y sentir es el
criterio que debe regir el respeto por la vida.
Estimular la
reflexión cognitiva comparando un grupo con otro vulnerable es un medio
habitual que han utilizado los persuasores morales para que la gente
cobre conciencia sobre sus sesgos e intolerancias. A ellos les debemos
buena parte de los progresos morales como la igualdad entre hombres y
mujeres, la normalización de la homosexualidad o la abolición de la
esclavitud.
En definitiva, la moralidad, en su concepción
más fundamental y deseable, surge cuando buscamos formas imparciales de
resolver los conflictos entre mis objetivos y los del otro. La
moralidad no es un conjunto de reglas arbitrarias o caprichosas. La
regla de oro es preguntarse: “Qué te parecería que él otro te lo hiciera
a ti?”.
La razón razona sobre sí misma
Por último, la razón, al contrario que la creencia ciega, se revisa a sí misma.
Podemos y debemos usar las reglas de la razón para cuestionarla. Un
ejemplo sería usar el pensamiento crítico para revisar este ensayo. Yo
estoy dando mi punto de vista sobre la racionalidad e intento
persuadirte de que el camino de la razón es el correcto. Ahora es tu
responsabilidad analizar posibles falacias, errores lógicos o evidencias
erróneas que pueda contener este ensayo. De hecho espero que lo hagas y
lo comentes. Lo maravilloso es que las herramientas de la razón están
al alcance de todos y pueden aprenderse.
La ciencia se basa en eso, no hay un gurú que diga lo que es verdad y lo que no, hay casi 10 millones de científicos
investigando, publicando sus descubrimientos y revisando el trabajo de
los demás, para que el resultado final sea conocimiento cercano a la
verdad. Es un proceso que nunca termina. Hugo Mercier, investigador de
la razón, descubrió que en grupos de razonadores cooperativos pero intelectualmente diversos, suele triunfar la verdad.
Conclusiones
Somos
seres más racionales de lo que pensamos, pero menos de lo que nos
gustaría. Cuando nos enfrentamos a problemas complejos salen a la luz
nuestras carencias en pensamiento crítico, probabilidad y lógica. La
solución pasa por colocar a la razón en el lugar donde debería estar: el
de garante de la verdad. Necesitamos educar a los niños y a los jóvenes
en las herramientas que les ayudarán a evaluar mejor los riesgos, tomar
mejores decisiones, prosperar en cualquier profesión y a ser mejores
ciudadanos y personas. Aunque parezca contra intuitivo, la razón puede
llevar a la compasión.
Ninguno de nosotros por separado somos
completamente racionales, la racionalidad emerge de la comunidad de
razonadores que señalan continuamente las falacias ajenas. El foco no
debe estar en las personas, sino en las ideas. Todos nos equivocamos, lo
hacemos constantemente. No hay que ruborizarse porque nos señalen un
error o una falacia. El resultado final es lo que importa. Después de
corregir un error estamos más cerca de la verdad. Dicho esto, es normal
identificarnos con nuestras ideas y sentirnos mal cuando las atacan,
pero eso no justifica dejar la razón a un lado y empezar una pelea de
perros.
El realismo y la razón son ideales que deben ser promovidos y defendidos.
Si aspiras a ser más racional, saca pecho, no te escondas, es una
actitud loable y una de las causas más valiosas a las que entregarse. La
racionalidad ha contribuido notablemente a que hoy vivamos en un mundo
con menos pobreza, más tolerancia y menos crueldad
de lo que era hace 250 años, antes de la Ilustración. En el camino vas a
necesitar esfuerzo, estudio, valentía, humildad y determinación, pero
la recompensa merece la pena.
Si has sentido la llamada de la selva, te animo a que compres hoy mismo Racionalidad,
de Steven Pinker, el libro en el que me he basado principalmente para
hacer esta defensa de la razón. Es una joya que merece ser estudiada, y
también criticada, una y otra vez.
Y antes de irte, solo me queda pedirte que compartas este
artículo o su versión en vídeo o podcast. Para los que amamos la razón y
todo lo que significa es importante que este mensaje cale en la
sociedad y tú puedes poner tu granito de arena compartiéndolo por
WhatsApp, Twitter, Facebook… Muchas gracias.
Los investigadores encontraron que en casi todas las especies de mamíferos que miraron, la densidad de los canales iónicos aumentó a medida que aumentaba el tamaño de las neuronas. La única excepción a este patrón fue en las neuronas humanas, que tenían una densidad de canales iónicos mucho menor de lo esperado.
El aumento en la densidad de canales entre las especies fue sorprendente, dice Harnett, porque cuantos más canales haya, más energía se necesita para bombear iones dentro y fuera de la célula. Sin embargo, empezó a tener sentido una vez que los investigadores comenzaron a pensar en el número de canales en el volumen total de la corteza, dice.
En el pequeño cerebro de la musaraña etrusca, que está llena de neuronas muy pequeñas, hay más neuronas en un volumen dado de tejido que en el mismo volumen de tejido del cerebro del conejo, que tiene neuronas mucho más grandes. Pero debido a que las neuronas del conejo tienen una mayor densidad de canales iónicos, la densidad de los canales en un volumen dado de tejido es la misma en ambas especies, o en cualquiera de las especies no humanas que los investigadores analizaron.
"Este plan de construcción es consistente en nueve especies de mamíferos diferentes", dice Harnett. "Lo que parece que la corteza está tratando de hacer es mantener el número de canales iónicos por unidad de volumen igual en todas las especies. Esto significa que para un volumen dado de la corteza, el costo energético es el mismo, al menos para los canales iónicos. ”
Study finds a striking difference between neurons of humans and other mammals
The human brain makes a striking deviation from the normal building plan.
eurons communicate with each other via electrical impulses, which are
produced by ion channels that control the flow of ions such as
potassium and sodium. In a surprising new finding, MIT neuroscientists
have shown that human neurons have a much smaller number of these
channels than expected, compared to the neurons of other mammals.
The researchers hypothesize that this reduction in channel density
may have helped the human brain evolve to operate more efficiently,
allowing it to divert resources to other energy-intensive processes that
are required to perform complex cognitive tasks.
“If the brain can save energy by reducing the density of ion
channels, it can spend that energy on other neuronal or circuit
processes,” says Mark Harnett, an associate professor of brain and
cognitive sciences, a member of MIT’s McGovern Institute for Brain
Research, and the senior author of the study.
Harnett and his colleagues analyzed neurons from 10 different
mammals, the most extensive electrophysiological study of its kind, and
identified a “building plan” that holds true for every species they
looked at — except for humans. They found that as the size of neurons
increases, the density of channels found in the neurons also increases.
However, human neurons proved to be a striking exception to this rule.
“Previous comparative studies established that the human brain is
built like other mammalian brains, so we were surprised to find strong
evidence that human neurons are special,” says former MIT graduate
student Lou Beaulieu-Laroche.
Beaulieu-Laroche is the lead author of the study, which appears today in Nature.
A building plan
Neurons in the mammalian brain can receive electrical signals from
thousands of other cells, and that input determines whether or not they
will fire an electrical impulse called an action potential. In 2018,
Harnett and Beaulieu-Laroche discovered that
human and rat neurons differ in some of their electrical properties,
primarily in parts of the neuron called dendrites — tree-like antennas
that receive and process input from other cells.
One of the findings from that study was that human neurons had a
lower density of ion channels than neurons in the rat brain. The
researchers were surprised by this observation, as ion channel density
was generally assumed to be constant across species. In their new study,
Harnett and Beaulieu-Laroche decided to compare neurons from several
different mammalian species to see if they could find any patterns that
governed the expression of ion channels. They studied two types of
voltage-gated potassium channels and the HCN channel, which conducts
both potassium and sodium, in layer 5 pyramidal neurons, a type of
excitatory neurons found in the brain’s cortex.
They were able to obtain brain tissue from 10 mammalian species:
Etruscan shrews (one of the smallest known mammals), gerbils, mice,
rats, Guinea pigs, ferrets, rabbits, marmosets, and macaques, as well as
human tissue removed from patients with epilepsy during brain surgery.
This variety allowed the researchers to cover a range of cortical
thicknesses and neuron sizes across the mammalian kingdom.
The researchers found that in nearly every mammalian species they
looked at, the density of ion channels increased as the size of the
neurons went up. The one exception to this pattern was in human neurons,
which had a much lower density of ion channels than expected.
The increase in channel density across species was surprising,
Harnett says, because the more channels there are, the more energy is
required to pump ions in and out of the cell. However, it started to
make sense once the researchers began thinking about the number of
channels in the overall volume of the cortex, he says.
In the tiny brain of the Etruscan shrew, which is packed with very
small neurons, there are more neurons in a given volume of tissue than
in the same volume of tissue from the rabbit brain, which has much
larger neurons. But because the rabbit neurons have a higher density of
ion channels, the density of channels in a given volume of tissue is the
same in both species, or any of the nonhuman species the researchers
analyzed.
“This building plan is consistent across nine different mammalian
species,” Harnett says. “What it looks like the cortex is trying to do
is keep the numbers of ion channels per unit volume the same across all
the species. This means that for a given volume of cortex, the energetic
cost is the same, at least for ion channels.”
Energy efficiency
The human brain represents a striking deviation from this building
plan, however. Instead of increased density of ion channels, the
researchers found a dramatic decrease in the expected density of ion
channels for a given volume of brain tissue.
The researchers believe this lower density may have evolved as a way
to expend less energy on pumping ions, which allows the brain to use
that energy for something else, like creating more complicated synaptic
connections between neurons or firing action potentials at a higher
rate.
“We think that humans have evolved out of this building plan that was
previously restricting the size of cortex, and they figured out a way
to become more energetically efficient, so you spend less ATP per volume
compared to other species,” Harnett says.
He now hopes to study where that extra energy might be going, and
whether there are specific gene mutations that help neurons of the human
cortex achieve this high efficiency. The researchers are also
interested in exploring whether primate species that are more closely
related to humans show similar decreases in ion channel density.
The research was funded by the Natural Sciences and Engineering
Research Council of Canada, a Friends of the McGovern Institute
Fellowship, the National Institute of General Medical Sciences, the Paul
and Daisy Soros Fellows Program, the Dana Foundation David Mahoney
Neuroimaging Grant Program, the National Institutes of Health, the
Harvard-MIT Joint Research Grants Program in Basic Neuroscience, and
Susan Haar.
Other authors of the paper include Norma Brown, an MIT technical
associate; Marissa Hansen, a former post-baccalaureate scholar; Enrique
Toloza, a graduate student at MIT and Harvard Medical School; Jitendra
Sharma, an MIT research scientist; Ziv Williams, an associate professor
of neurosurgery at Harvard Medical School; Matthew Frosch, an associate
professor of pathology and health sciences and technology at Harvard
Medical School; Garth Rees Cosgrove, director of epilepsy and functional
neurosurgery at Brigham and Women’s Hospital; and Sydney Cash, an
assistant professor of neurology at Harvard Medical School and
Massachusetts General Hospital.
