GENERAN UN MODELO MATEMÁTICO PRECISO DE LAS CÉLULAS NERVIOSAS DEL CEREBRO
Crea un nuevo interfaz entre el tejido biológico y los sistemas mecánicos
El matemático británico Ivan Tyukin, de la Universidad de Leicester, ha desarrollado un modelo matemático capaz de describir con toda exactitud el complejo comportamiento de las células nerviosas del cerebro. Su método permite la "copia" automática de neuronas simuladas a través circuitos artificiales y proporciona muestras electrónicas de comportamiento casi idéntico al de las neuronas vivas, creando así una nueva interfaz entre el tejido biológico y los sistemas mecánicos.
En colaboración con científicos de Japón y de los Países Bajos, Tyukin, ha desarrollado una nueva técnica que permite generar modelos matemáticos que describen de manera precisa el verdadero comportamiento de las células nerviosas del cerebro.El desarrollo de estos modelos requiere de información detallada de la dinámica de los elementos responsables de la generación de pulsos (spike) en la célula. En neurociencia, basta un disparo de potencial de acción de duración entre 3 y 5 milisegundos (casi un pulso) a través de una brecha sináptica, para lograr excitar a la neurona post-sináptica.
La barrera principal entre los modelos matemáticos y la realidad es que la mayoría de las variables intrínsecas de las células vivas no puede observarse de manera directa. Un modelo matemático es una traducción de la realidad física para poder aplicar los instrumentos y técnicas de las teorías matemáticas para estudiar el comportamiento de sistemas complejos, y posteriormente hacer el camino inverso para traducir los resultados numéricos a la realidad física.
Generalmente, los modelos matemáticos introducen simplificaciones de realidad, especialmente en la modelización de la dinámica celular. Sin embargo, Ivan Tyukin y sus colegas han conseguido crear un método que permite reconstruir de forma automática las variables múltiples y todavía no conocidas que describen las dinámicas celulares, haciendo uso únicamente de los registros de la actividad eléctrica de respuesta de las células.
Variables múltiples
Una función biológica rara vez es el producto de una única macromolécula, sino que generalmente es el resultado de la interacción de un grupo de macromoléculas, como son los genes o las proteínas.
La comprensión de los complejos mecanismos de las células requiere una modelización de todas las interacciones entre macromoléculas que ha dado origen a una nueva ciencia transversal llamada biología de sistemas.
El trabajo de Tyukin y sus colegas forma parte de esta línea de investigación y representa un avance en la comprensión de los principios ocultos de los cálculos del cerebro biológico. Asimismo, explora vías alternativas de manipulación e incremento de las funciones cerebrales, según la mencionada Universidad.
Copia automática de neuronas
La "copia" automática de neuronas simuladas a través circuitos artificiales (y, potencialmente, a través de micro-chips) proporcionará muestras electrónicas de comportamiento casi idéntico al de las neuronas vivas, creando una nueva interfaz entre el tejido biológico y los sistemas mecánicos.
El Dr. Tyukin señala al respecto que "la técnica desarrollada permitirá la creación de nuevas interfaces cerebro-máquina. Las neuronas artificiales pueden conectarse fácil y electrónicamente con las máquinas. Por otro lado, al ser copias lo suficientemente parecidas a sus similares biológicas, podrán comunicarse con las células biológicas."
"Por otro lado, añadió, la detección y el rastreo de los cambios instantáneos de las variables internas responsables de la generación de pulsos en las células, como una función derivada de la estimulación química externa, servirá para desarrollar técnicas matemáticas para el estudio sistemático de las señales extrasinápticas, que suponen más del 75% de las comunicaciones entre neuronas en algunas áreas del cerebro".
La transmisión sináptica es una forma de comunicación en red entre neuronas que tradicionalmente se ha considerado el principal mecanismo para el procesamiento de información en el cerebro.
Mayor control del cerebro
Sin embargo, estudios recientes han señalado la importancia de la acción extrasinápitca de los transmisores químicos, que podría suponer una comprensión adicional de cómo las señales son transferidas y transformadas por éste.
Según Tyukin, la comprensión y los modelos matemáticos ajustados para este fenómeno permitirá progresar en el conocimiento de los principios físicos que subyacen a los cálculos del cerebro biológico.
Además, el conocimiento detallado de cómo puede variar la función del cerebro si modificamos los parámetros de difusión (por ejemplo, cambiando el volumen extra celular o añadiéndole algunas moléculas largas), permitirá un grado extra de control del cerebro que sería potencialmente importante para fines médicos, como cuando se quiera proteger la raíz de un foco de infarto con una barrera.
En este proyecto, además de Ivan Tyukin, del Departamento de Matemáticas de la Universidad de Leicester, en el Reino Unido, han participado el profesor Cees van Leeuwen, el profesor Alexey Semyanov y el doctor Inseon Song del RIKEN Brain Science Institute de Japón, que han proporcionado la experiencia neurofisiológica y los registros de actividad neuronal. Asimismo, ha participado también el profesor Nijmeijer y Eric Steur, de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (en los Países Bajos), que actualmente trabajan en la realización electromecánica de los modelos, así como en el estudio de su sincronía.
LAS ABEJAS SABEN CONTAR, PERO SÓLO HASTA CUATRO
Científicos alemanes y australianos aseguran que tienen capacidad matemática y la misma habilidad que un chimpancé para distinguir objetos, algo que utilizan a diario para orientarse con edificios, árboles u otros objetos que haya en torno a su panal
Las abejas tienen capacidad matemática y saben contar, aunque sólo pueden hacerlo hasta cuatro y tienen la misma habilidad que un chimpancé a la hora de distinguir objetos, según un estudio realizado por científicos alemanes de la Universidad de Würzburg, integrados en el equipo internacional de trabajo BEEgroup.
El equipo de científicos alemanes, junto a varios colegas australianos, han conseguido por primera vez definir la capacidad de contar de un animal invertebrado. Para ello y durante dos años, los investigadores hicieron que la abejas de un panal volaran sistemáticamente a través de tubos de metacrilato con varias salidas.
Directamente en la abertura de los tubos, al igual que en las diferentes salidas, pintaron distintos objetos, como tres limones o cuatro hojas, para indicar a las abejas el camino a elegir a la hora de buscar alimento."Lo importante es la cantidad"
Con independencia del objeto dibujado, las abejas aprendieron, por ejemplo, que si a la entrada del tubo había tres objetos dibujados, debían buscar el tubo de salida con otros tres dibujos. Los científicos comprobaron que a la abeja le da igual el objeto dibujado -una estrella, una hoja, un limón o simples puntos- y que para orientarse se fijan en su cantidad, incluso cuando el objeto es completamente nuevo y desconocido.
"Las abejas no se dejan distraer por el objeto dibujado, sino que saben que lo importante es su cantidad", explican los científicos en el estudio, en el que subrayan que, a partir de cuatro o más objetos las abejas ya no saben contar.Una capacidad innata
El estudio destaca que durante los experimentos realizados, las abejas acertaron en más del 70% de los casos con cuatro o menos objetos orientativos dibujados en las entradas y salidas de los tubos de metacrilato a la hora de buscar su alimento.
Se trata, según afirman, de una capacidad innata de los animales y el ser humano que no se aprende. Mientras el ser humano puede reconocer simultáneamente hasta cuatro objetos sin contarlos, la abeja tiene esa capacidad limitada a tres. A partir de cuatro objetos, la abeja ve "muchas" cosas, pero no es capaz de distinguir si se trata de cuatro, cinco o más.
Los responsables del experimento señalan finalmente que las abejas utilizan a diario su capacidad de contar para orientarse con edificios, árboles u otros objetos en el área en la que vuelan habitualmente en torno a su panal.
LA CIGARRA Y LOS NÚMEROS PRIMOS
Las cigarras periódicas, muy especialmente la Magicicada septendecim, tienen el ciclo vital más largo de todos los insectos. Su único ciclo vital empieza bajo tierra, donde las ninfas absorben pacientemente el zumo de las raíces de los árboles. Entonces, después de 17 años de esperar, las cigarras adultas emergen de la tierra en gran número e invaden temporalmente nuestro paisaje. Unas semanas después se aparean, ponen los huevos y mueren.
La cuestión que inquietaba a los zoólogos era: ¿Por qué el ciclo vital de la cigarra es tan largo? Qué quiere decir que el ciclo vital sea un número primo de años? Otra especie, la Magicicada tredecim, aparece cada 13 años, lo que indica que los ciclos vitales que son un número primo de años dan algún tipo de ventaja para la conservación de la vida.
Según una teoria, la cigarra tiene un parásito que también recorre un ciclo vital, y que la cigarra está intentando evitar. Si el parásito tiene un ciclo vital, pongamos, de 2 años, entonces la cigarra quiere evitar un ciclo vital que sea divisible por 2, sinó el parásito y la cigarra coincidirán regularmente. De esta manera parecida, si el parásito tiene un ciclo vital de 3 años, entonces la cigarra querrá evitar un ciclo vital divisible por 3, si no el parásito y la cigarra volverán a coincidir. . Al fin, si se quiere evitar de encontrase con su parásito, la mejor estratégia de la cigarra es darse un ciclo de vida largo, que dure un número primo de años. Como nada dividirá el 17, la Magicicada septendecim raramente se encontrará con su parásito. Si el parásito tiene un ciclo de 2 años, solo se contrarán cada 34 años, y si tiene un ciclo vital más largo, de 16 años p. ej., sólo se encontrarán cada 272 (16 x 17) años.
En su turno, el parásito, si quiere luchar, sólo tiene dos ciclos vitales que incrementan la frecuencia de las coincidéncias: el del ciclo anual y el mismo ciclo de 17 años que la cigarra. Ahora bien, es poco probable que el parásito pueda sobrevivir y reaparecer 17 años seguidos, porque durante las 16 primeras apariciones no habrá cigarras a las cuales parasitar. De otro modo, si quieren conseguir el ciclo de 17 años, las generaciones de parásitos tendrán que evolucionar primero durante un ciclo vital de 16 años. Esto significaria que, en algún estadio evolutivo de su vida, el parásito y la cigarra no coincidiran durante 272 años! En cualquier caso, el largo ciclo vital de las cigarras, y el número primo de años, las protege.
¡Esto podría explicar por qué el supuesto parásito no ha sido encontrado nunca! En la lucha por coincidir con la cigarra, el parásito probablemente ha continuado alargando su ciclo vital, hasta conseguir transpasar la barrera de los 16 años. Entonces dejará de coincidir durante 272 años; mientras tanto su falta de coincidencia con las cigarras le habrá llevado a la extinción. El resultado es una cigarra con un ciclo vital de 17 años; ciclo que ya no le hace ninguna falta porque su parásito ya no existe.
