Generan un modelo matematico preciso de las celulas nerviosas del cerebro.

Generan un modelo matematico preciso de las celulas nerviosas del cerebro.

Crea un nuevo interfaz entre el tejido biologico y los sistemas mecanicos.

Un modelo matematico capaz de describir con toda exactitud el complejo comportamiento de las celulas nerviosas del cerebro ha sido desarrollado por el matematico britanico Ivan Tyukin. Su metodo permite la “copia” automatica de neuronas simuladas a traves circuitos artificiales y proporciona muestras electronicas de comportamiento casi identico al de las neuronas vivas, creando asi una nueva interfaz entre el tejido biologico y los sistemas mecanicos. Por Vanessa Marsh.

El matematico de la Universidad de Leicester, Ivan Tyukinn, en colaboracion con cientificos de Japon y de los Paises Bajos, ha desarrollado una nueva tecnica que permite generar modelos matematicos que describen de manera precisa el verdadero comportamiento de las celulas nerviosas del cerebro, informa la mencionada universidad en un comunicado.

El desarrollo de estos modelos requiere de informacion detallada de la dinamica de los elementos responsables de la generacion de pulsos (spike) en la celula. En neurociencia, basta un disparo de potencial de accion de duracion entre 3 y 5 milisegundos (casi un pulso) a traves de una brecha sinaptica, para lograr excitar a la neurona post-sinaptica.

La barrera principal entre los modelos matematicos y la realidad es que la mayoria de las variables intrinsecas de las celulas vivas no puede observarse de manera directa. Un modelo matematico es una traduccion de la realidad fisica para poder aplicar los instrumentos y tecnicas de las teorias matematicas para estudiar el comportamiento de sistemas complejos, y posteriormente hacer el camino inverso para traducir los resultados numericos a la realidad fisica.

Generalmente, los modelos matematicos introducen simplificaciones de realidad, especialmente en la modelizacion de la dinamica celular. Sin embargo, Ivan Tyukin y sus colegas han conseguido crear un metodo que permite reconstruir de forma automatica las variables ocultas que describen las dinamicas celulares, haciendo uso unicamente de los registros de la actividad electrica de respuesta de las celulas.

Variables ocultas… en biologia

La teoria de las variables ocultas procede de la fisica cuantica y se refiere a los parametros de las particulas que no se pueden detectar por los sentidos, ni por los aparatos de medicion. Fisicos y matematicos vienen utilizando variables ocultas desde hace mas de 100 años y recientemente se ha utilizado esta expresion tambien para la descripcion de la complejidad celular.

Una funcion biologica rara vez es el producto de una unica macromolecula, sino que generalmente es el resultado de la interaccion de un grupo de macromoleculas, como son los genes o las proteinas.
La comprension de los complejos mecanismos de las celulas requiere una modelizacion de todas las interacciones entre macromoleculas que ha dado origen a una nueva ciencia transversal llamada biologia de sistemas.

El trabajo de Tyukin y sus colegas forma parte de esta linea de investigacion y representa un avance en la comprension de los principios ocultos de los calculos del cerebro biologico. Asimismo, explora vias alternativas de manipulacion e incremento de las funciones cerebrales, segun la mencionada Universidad.

Copia automatica de neuronas

La “copia” automatica de neuronas simuladas a traves circuitos artificiales (y, potencialmente, a traves de micro-chips) proporcionara muestras electronicas de comportamiento casi identico al de las neuronas vivas, creando una nueva interfaz entre el tejido biologico y los sistemas mecanicos.
El Dr. Tyukin señala al respecto que “la tecnica desarrollada permitira la creacion de nuevas interfaces cerebro-maquina. Las neuronas artificiales pueden conectarse facil y electronicamente con las maquinas. Por otro lado, al ser copias lo suficientemente parecidas a sus similares biologicas, podran comunicarse con las celulas biologicas.”

“Por otro lado, añadio, la deteccion y el rastreo de los cambios instantaneos de las variables internas responsables de la generacion de pulsos en las celulas, como una funcion derivada de la estimulacion quimica externa, servira para desarrollar tecnicas matematicas para el estudio sistematico de las señales extrasinapticas, que suponen mas del 75% de las comunicaciones entre neuronas en algunas areas del cerebro”.

La transmision sinaptica es una forma de comunicacion en red entre neuronas que tradicionalmente se ha considerado el principal mecanismo para el procesamiento de informacion en el cerebro.

Mayor control del cerebro

Sin embargo, estudios recientes han señalado la importancia de la accion extrasinapitca de los transmisores quimicos, que podria suponer una comprension adicional de como las señales son transferidas y transformadas por este.

Segun Tyukin, la comprension y los modelos matematicos ajustados para este fenomeno permitira progresar en el conocimiento de los principios fisicos que subyacen a los calculos del cerebro biologico.

Ademas, el conocimiento detallado de como puede variar la funcion del cerebro si modificamos los parametros de difusion (por ejemplo, cambiando el volumen extra celular o añadiendole algunas moleculas largas), permitira un grado extra de control del cerebro que seria potencialmente importante para fines medicos, como cuando se quiera proteger la raiz de un foco de infarto con una barrera.

En este proyecto, ademas de Ivan Tyukin, del Departamento de Matematicas 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 Japon, que han proporcionado la experiencia neurofisiologica y los registros de actividad neuronal. Asimismo, ha participado tambien el profesor Nijmeijer y Eric Steur, de la Universidad Tecnologica de Eindhoven (en los Paises Bajos), que actualmente trabajan en la realizacion electromecanica de los modelos, asi como en el estudio de su sincronia.

Fuente: Tendencias 21

Los acentos fueron obviados por cuestiones tecnicas.