Resonancia estocástica (neurobiología sensorial)
La resonancia estocástica es un fenómeno que ocurre en un sistema de medición de umbral (por ejemplo, un instrumento o dispositivo hecho por el hombre; una célula, órgano u organismo natural) cuando una medida apropiada de transferencia de información ( relación señal-ruido , información mutua , coherencia , etc.) d ' , etc.) se maximiza en presencia de un nivel de ruido de entrada estocástico distinto de cero , reduciendo así el umbral de respuesta; [1] el sistema resuena a un nivel de ruido particular.
La resonancia estocástica ocurre cuando estas condiciones se combinan de tal manera que una cierta intensidad de ruido promedio da como resultado una transferencia de información maximizada. Una salida promediada en el tiempo (o, de manera equivalente, filtrada de paso bajo ) debido a la señal de interés más ruido producirá una medición aún mejor de la señal en comparación con la respuesta del sistema sin ruido en términos de SNR.
La idea de agregar ruido a un sistema para mejorar la calidad de las mediciones es contradictoria. Los sistemas de medición generalmente se construyen o evolucionan para reducir el ruido tanto como sea posible y, por lo tanto, proporcionar la medición más precisa de la señal de interés. Numerosos experimentos han demostrado que, tanto en sistemas biológicos como no biológicos, la adición de ruido puede realmente mejorar la probabilidad de detectar la señal; esto es resonancia estocástica. Los sistemas en los que se produce la resonancia estocástica son siempre sistemas no lineales. La adición de ruido a un sistema lineal siempre disminuirá la tasa de transferencia de información. [1] [2]
La resonancia estocástica se descubrió por primera vez en un estudio de la recurrencia periódica de las edades de hielo de la Tierra. [2] [3] La teoría se desarrolló a partir de un esfuerzo por comprender cómo el clima de la Tierra oscila periódicamente entre dos estados de temperatura global relativamente estables, uno "normal" y el otro un estado de "edad de hielo". La explicación convencional era que las variaciones en la excentricidad de la trayectoria orbital de la Tierra ocurrieron con un período de aproximadamente 100.000 años y provocaron que la temperatura promedio cambiara drásticamente. La variación medida en la excentricidad tuvo una amplitud relativamente pequeña en comparación con el cambio dramático de temperatura, sin embargo,y la resonancia estocástica se desarrolló para mostrar que el cambio de temperatura debido a la oscilación de excentricidad débil y el agregado estocásticoLa variación debido a la salida de energía impredecible del sol (conocida como la constante solar ) podría hacer que la temperatura se mueva de manera no lineal entre dos estados dinámicos estables.
Como ejemplo de resonancia estocástica, considere la siguiente demostración después de Simonotto et al. [4]
La imagen de la izquierda muestra una imagen original del Arco de Triunfo en París. Si esta imagen pasa a través de un filtro de umbral no lineal en el que cada píxel detecta la intensidad de la luz por encima o por debajo de un umbral determinado, se obtiene una representación de la imagen como en las imágenes de la derecha. Puede ser difícil discernir los objetos en la imagen filtrada en la parte superior izquierda debido a la cantidad reducida de información presente. La adición de ruido antes de la operación de umbral puede resultar en una salida más reconocible. La siguiente imagen muestra cuatro versiones de la imagen después de la operación de umbral con diferentes niveles de variación de ruido; la imagen de la esquina superior derecha parece tener el nivel óptimo de ruido, lo que permite reconocer el arco, pero otras variaciones de ruido revelan características diferentes.
