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Los investigadores más prestigiosos están utilizando el modelado matemático y cálculos intensivos para comprender cómo el cerebro puede tanto recordar como aprender.

Hace diez años, cuando el equipo de Marianne Fyhn y Torkel Hafting Fyhn cooperó con el equipo ganador del premio Nobel de May-Britt y Edvard Moser en el NTNU, descubrieron el sentido de la orientación en el cerebro.

Ahora, en su propio equipo de investigación del cerebro de la Universidad de Oslo, están estudiando cómo el cerebro es capaz de almacenar nuevos recuerdos mientras permance tan estable que los viejos recuerdos no disminuyen. Recientemente han establecido una estrecha cooperación con el equipo principal de expertos en cálculo de la Universidad de Oslo. Porque, independientemente de cuántos experimentos hagan, dependen de los conocimientos matemáticos para encontrar la conexión entre el enorme número de procesos en el cerebro.

"En los experimentos, podemos situar electrodos en el cerebro. Sin embargo, no importa cuántos electrodos pongamos en el cerebro para medir las señales en él, únicamente conseguimos echar un vistazo. Nuestro cerebro consta de cinetos de billones de celdas, y cada una de ellas tiene miles de contactos. Por lo tanto, necesitamos modelos matemáticos para rellenar todos los puntos que no podemos medir, para adquirir una comprensión completa de la interacción entre ellos," dice Marianne Fyhn, profesora asociada en el Departamente de Biociencias de la Universidad de Oslo. Ella, ahora, es el jefa de un nuevo grupo de investigacón de la Facultad de Matemáticas y Ciencias Naturales que enlazará la biología experimental con física y matemáticas orientadas a la computación. Cree que los cálculos con ordenador pueden llevar a experimentos incluso mejores.

"Los experimentos son caros y complicados," dice Marianne. "Los modelos matemáticos pueden darnos una idea de dónde deberíamos de echar un vistazo más detallado, así que nuestro experimentos todavía pueden estar mejor enfocados."

Medias caladas

Uno de los nuevos proyectos de investigación de Marianne Fyhn consiste en encontrar lo que ocurre en el cerebro durante el proceso de aprendizaje. Una hipótesis es que ciertas moléculas que forman una especie de media calada alrededor de ciertos tipos de células del cerebro, son importantes para que el cerebro sea capaz de aprender y tener una memoria estable al mismo tiempo.

"Sabemos que esas células del cerebro son importantes para la plasticidad, p. ej. la capacidad del cerebro de aprender y recordar. El cerebro tiene un gran dilema. Debe de ser estático para que los recuerdos puedan ser almacenados y para que podamos recordar cosas del pasado. Pero al mismo tiempo, el cerebro debe ser flexible como para que seamos capaces de aprender nuevas cosas," expica Fyhn.

Las "medias caladas" envuelven ajustadamente los puntos de contacto entre las célula del cerebro con los mayores niveles de actividad. Las células del cerebro se comunican con sustancias químicas y cargas eléctrias.

Las sustancias se unen a las proteinas en la superficie de los pequeños canales de las células del cerebro, que únicamente permiten el paso de iones específicos. Los iones son átomos cargados. Cuando los iones fluyen hacia o desde las células del cerebro, se forman las señales eléctricas. Las células del cerebro utilizan estas señales eléctricas para comunicarse con otras.

"Las "medias caladas" son estructuras físicas que quizás evitan la formación de nuevos puntos de contacto. una de nuestras hipótesis es que existen encimas en el cerebro que se comen un poco las medias para abrir una ventana cuando se van a formar nuevos puntos de contacto en las células del cerebro," dice Fyhn.

Los investigadores creen que estas "medias caladas" son importante para estabilizar la memoria y hacer que el cerebro sea, a la vez, cambiable.

"Es concebible que las medias sean necesarias para mantener la memoria estable. Algunos estudios indican que los animales aprenden mejor y más rápido cuando estas "medias caladas" se eliminan, pero no sabemos cómo afecta esto a la memoria. Las "medias caladas" envuelven a las células cuando el cerebro empieza a madurar. Cuando se eliminan las medias, un cerebro maduro puede cambiar tanto como un cerebro joven. Quizás las "medias caladas" en los cerebros maduros evitan que tengamos la misma capacidad de aprender que tienen los niños," cuestion Fyhn.

La gran pregunta, por tanto, es qué pasará cuando eliminemos las medias y cómo afectará a la transmisión de señales entre las células del cerebro.

En los experimentos, ella podría quitar físicamente las "medias caladas" de ciertas células del cerebro y estudiar que pasa. Sin embargo, únicamente es posible estudiar un número limitado de células. Para estudiar la interacción entre estas células y el resto del cerebro, debe de ayudarse de las matemáticas.

Cuando Marianne Fyhn trabajó con el sentido de la orientación para el Moser Group en Trondheim, encontró un cierto patrón entre los puntos GPS en el sentido de la orientación. En esta área del cerebro se encuentra un número particularmente grande de "medias caladas".

"Las células del cerebro con medias caladas amortiguan el nivel de actividad. Si esta actividad no hubiera sido atenuada, el cerebro perdería el control. Esto podría resultar en un ataque epiléptico. Un modelo matemático puede explicar la distancia ordenada entre los puntos.

"Es posible que, las "medias caladas" no estabilicen únicamente la memoria de largo término, sino también el sentido de la orientación. Y, como que el sentido de orientación está estrechamente asociado con la memoria, podamos utilizar nuestra investigación en el sentido de la orientación para comprender más sobre la memoria," nos explica.

Ayuda matemática

Ahora Fyhn está recibiendo ayuda de los mejores expertos en computación de la Universidad de Oslo.

"Podemos utilizar la Física para comprender los procesos biológicos fundamentales. Por ejemplo, las señales eléctricas en el cerebro pueden explicarse mediante física pura. La cooperación con los biólogos puede realmente avanzar la ísica," dice Anders Malthe-Sørenssen. Él es profesor en el Departmento de Física de la Universidad de Oslo y experto en computación en geofísica.

Durante los últimos cien años, los experimentos y el modelado físico han ido de la mano. El objetivo es encontrar cómo trabaja la naturaleza.

"El medio más eficiente de describirlo ha sido mediante los modelos matemáticos," dice Malthe-Sørenssen.

Ahora, las ciencias de la vida empezarán a utilizar los mismo trucos.

“Ya disponemos de una buena descripción matemática y biofísica de cómo trabaja una única célula nerviosa y cómo recibe y transmite señales a otras células. Sin embargo, una única célula nerviosa no es particulamente inteligente. Desgraciadamente, todavía no comprendemos demasiado bien cómo trabaja la inmensa red de billones de células nerviosas. Es precisamente esta red, la que nos hace ser como somos, la que nos gustaría conocer mejor," dice Gaute Einevoll, catedrático en los Departamentos de Física en la Universidad de Oslo y en el Departmento de Ciencias Matemáticas y Tecnología de la Universiad Noruega de Ciencias de la Vida en Ås.

Es uno de los principales investigadores del país de los últimos 20 años sobre las computaciones del cerebro, y volvió a estar interesado en neurociencias a raíz de su estancia en EEUU a mediados de los 90.

Desafortunadamente, todavía es más difícil investigar sistemas biológicos que sistemas físicos.

"La biología es todavía más compleja que la física. El cerebro a menudo tiene redundancia. Esto significa que si un mecanismo para de trabajar, los otros pueden tomar el control. Para comprender esto, necesitamos métodos matemáticos," apunta Einevoll.

Uno de sus modelos de simulación representa una pequeña porción del cortex visual. El modelo consta de 80.000 neuronas, divididas en ocho tipos diferentes de células del cerebro. Aunque el grupo de tejidos del cerebro simulado por los investigadores sea de un tamaño de unos pocos milimetros cúbicos y pueda ser difícilmente visto a simple vista, Einevoll tiene que utilizar 80.000 ecuaciones diferenciales para describir se propaga la información en la red de células nerviosas. Una ecuación diferencial es una descripción matemáticas de algo que cambia con el tiempo. Esto no se puede resolver con un papel y un lápiz. Este enorme conjunto de ecuaciones matemáticas se tiene que resolver con uno de los ordenadores más potentes del país.

Sus socios en Alemania están en proceso de crear modelos incluso más grandes del cortex visual, con dos millones de células nerviosas.

De moléculas a grupos de neuronas

Ahora, los investigadores computacionales están cooperando con Marianne Fyhn y simularán cómo la "media calada" entre las células afecta a la memoria en largo término y cómo estas moléculas bloquean el conocimiento.

Aquí, deben de simular tanto lo que ocurre en el cerebro durante un largo periodo de tiempo, como el aprendizaje y la memoria, como lo que ocurre en el cerebro en un periodo corte de tiempo, como la adaptación de las células nerviosas al entorno.

Para comprender el cerebro, deben de estudiar la plasticidad a muchos niveles, es decir la capacidad del cerebro para aprender y almacenar información. Deben de explorar tanto las escalas de tiempo de largo tiempo, como en el aprendizaje y la memoria, y las escalas de tiempo más cortas, como en la adaptación de las células nerviosas a sus alrededores.

También han de modelar todos los niveles del cerebro, todos los caminos desde el nivel molecular, dond miran cómo las células nerviosas cooperan, a las consecuencias que esto tiene sobre la red completa de células cerebrales.

"Cuando ocurren muchas cosas al mismo tiempo, debemos de tener matemáticas para mantener el seguimiento de las cosas," dice Gaute Einevoll.

Sin embargo, aunque tuvieran a su disposición el ordenador más rápido del mundo, el cerebro es tan complejo que no podrían incluir todo en el modelo. Por lo tanto, tendrán que crear modelos para varias longitudes y escalas temporales. Entonces los modelos deberán de enlazarse en lo que ellos llaman un modelo multiescala.

“A menudo me gusta ilustrar los modelos multiescala con la descripción física de los gases. Pueden describirse tanto en una escala microscópica, molécula a molécula, por medio de la mecánica de Newton, o en una escala macroscópica mediante la termodinámica, con parámetros como la presión y la temperatura. Y mi heroe físico Ludwig Boltzmann mostró hace más de 100 años atrás cómo estas descripciones están relacionadas. Necesitamos algo similar para describir el cerebro," dice Einevoll.

Un modelo multiescala del cerebro puede dividirse en cinco niveles:

  • El nivel más bajo es la comprensión de lo que ocurre en el nivel atómico.
  • El segundo nivel es el nivel molecular. Aquí la maquinaria electrquímica de la célula se modela mediante ecuaciones químicas.
  • En el tercer nivel, se simula una única célula nerviosa con ramas.
  • En el cuarto nivel, se modela el enlace con otras células nerviosas y cómo se comunican entre ellas a través de sinapsis.
  • En el quinto nivel, el más alto, se modelan grupos de neuronas.

Un plátano al día

Los ordenadores del futuro quizás sean capaces de replicar nuestro cerebro.

"Recibimos enormes volúmenes de datos, y no tenemos suficientes células cerebrales para leer todos los datos que recibimos lo suficientemente rápido. Nuestro cerebro filtra hasta el extremo. La información visual que recibimos en un segundo contiene tanta información como un libro entero. Sin embargo, nuestro cerebro la gestiona para reconstuir una imagen de nuestro alrededor," dice Marianne Fyhn.

Nuestro cerebro utiliza únicamente una millonésima de la energía requerida por un ordenador potente para hacer la misma tarea.

"Nuestro cerebro trabaja con un plátano al día. Para simular lo que ocurre en nuestro cerebro necesitaríamos un ordenador que utilizara tanta energía como tres millones de plátanos por día," dice Fyhn.

Los investigadores esperan utilizar este nuevo conocimiento sobre el cerebro para crear ordenadores incluso mejores.

En los ordenadores de hoy en día, los electrones se mueven. En el cerebro, existen tuneles en las membranas del sistema nervioso que uitilizan un milisegundo para abrise y cerrarse. Cuando están abiertas las células del cerebro se comunican con los iones cargados.

Aunque una simple célula del cerebro únicamente envíe de uno a diez pulsos eléctricos por segundo, y cien pulsos por segundo cuando algo muy especial ocurre, este increiblemente lento cerebro nuestro, sin embargo, compite con los potentes ordenadores que pueden sumar muchos billones de números en un segundo.

“La explicación está en los buenos algoritmos del cerebro. Nos gustaría tener los mismos algoritmos en silicio. Ahora nos gustaría crear electrónica que replicara las células nerviosas biofísicas en el chip," dice Gaute Einevoll, quien desde hace unos años ha intentado resolver este tema a través de los proyectos de investigación europeos BrainScaleS y Human Brain Project.

Traducido de Science Nordic

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