MATHEUS VIANA/USPLa estructura de las conexiones entre los canales de un hueso (los puntos rojos son los nudos): los desvíos evitan obstrucciones MATHEUS VIANA/USP
Esta vez no son los neurólogos, sino los físicos y los ingenieros quienes plantean propuestas nuevas – y aparentemente útiles – sobre las neuronas y el funcionamiento del cerebro. Un equipo del Instituto de Física de São Carlos ha demostrado que la capacidad de conectarse de las neuronas no depende únicamente de los caminos ya andados previamente o de conexiones preestablecidas. Depende también de la propia forma de las neuronas: cuanto más ramificada es una neurona, más conexiones podrá establecer con otras neuronas.
Esta conclusión parece obvia, pero no por ello deja de ser importante. En Brasil, es probablemente la primera vez que se analiza el sistema nervioso por medio de la Teoría de las Redes Complejas, uno de los artificios matemáticos a través de los cuales se busca tener una visión integrada de los fenómenos de la naturaleza. Este camino lleva también a otras conclusiones no tan evidentes. Ahora se puede entender mejor por qué la información circula con diferentes velocidades dentro del sistema nervioso, por ejemplo. Según los físicos, el tránsito es más lento en la corteza, que es la capa más superficial del cerebro, porque las neuronas se distribuyen de manera relativamente uniforme en un espacio plano, y todas se conectan con sus vecinas. Los mensajes son más veloces cuando salen de un punto de la corteza y se dirigen hacia regiones más alejadas por medio de conexiones de largo alcance, con menos intermediarias.
La Teoría de las Redes Complejas suministra otras formas de explicar el origen de algunos tipos de retraso mental que, vistas desde esta óptica, resultarían no de la falta de conexiones, tal como se pensaba, sino de su exceso, que obstaculiza el flujo de información. En cualquier persona, el número y la eficiencia de las conexiones rigen tanto los fenómenos involuntarios, como es el caso de los latidos cardíacos, como los voluntarios: la elección de la ropa que usaremos por la mañana, por ejemplo.
Como consecuencia de factores genéticos y de estímulos ambientales, la forma de las neuronas varía mucho, y éstas que pueden ser escasamente o muy ramificadas. Sus ramificaciones pueden ser cortas o largas. Las cortas son las dendritas, que reciben las informaciones provenientes de otras neuronas. Las largas, llamadas axones, miden alrededor de medio metro, y envían los mensajes. La arquitectura de estas células, al permitir establecer más o menos conexiones con otras, puede determinar las conexiones e influir en el funcionamiento del cerebro, el comportamiento humano e incluso el desarrollo de algunas enfermedades. Esto fue lo que demostró el equipo de São Carlos, mediante el análisis de datos biológicos suministrados por otros grupos de investigación y de simulaciones en computadora del comportamiento de las redes de neuronas. De acuerdo con este grupo, la forma de la neurona es acorde con su función, de la misma manera que las alas cortas de las gallinas les impiden el vuelo, mientras que las alas de las golondrinas, proporcionalmente más largas, les permiten hacer extensos vuelos. Según Luciano da Fontoura Costa, coordinador del equipo del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (USP), esta interdependencia entre forma y función de las neuronas constituye un paradigma poco explotado por la neurobiología.
“El funcionamiento global del sistema nervioso depende totalmente de la forma, que, a su vez, determina las interconexiones entre las neuronas”, dice David Schubert, coordinador del laboratorio de neurobiología celular del Instituto Salk, de Estados Unidos. Costa firmó con Schubert un estudio publicado en la revista especializada Journal of Neuroscience sobre la aglomeración de neuronas, que puede determinarse según la adherencia entre ellas y con el ambiente extracelular: cuando se agrupan mucho, pueden surgir problemas como el mal de Alzheimer. “La forma de las células nerviosas cambia mucho en enfermedades como el mal de Alzheimer”, asevera Schubert. “La comprensión de la forma de las neuronas y cómo ésta se regula es esencial para dilucidar el funcionamiento del sistema nervioso en condiciones normales o patológicas.”
Costa, quien en esta ocasión contó con la participación del posdoctorando Marconi Barbosa, verificó que grupos de neuronas con idéntica cantidad de elementos, cada uno de ellos con el mismo número de conexiones, pero con formas distintas, pueden funcionar de manera diferente. Esta conclusión emergió de un experimento en computadora donde se fijó un conjunto de neuronas y se simuló una función – la memoria. De manera general, la memoria más o menos aguzada depende de al menos dos variables: las ramificaciones y la dispersión de las neuronas. “En el caso de la memoria”, sostiene Costa, “lo mejor es que las neuronas tengan ramificaciones con una amplia distribución espacial”. En un trabajo llevado a cabo con Fernando Rocha y Silene Lima, de la Universidad Federal de Pará (UFPA), Costa analizó la distribución de los fotorreceptores “neuronas especializadas en captar luz” de la retina de un roedor, el agutí (Dasyprocta agouti). El resultado, publicado en Applied Physics Letters, indica que no existe mejor o peor dispersión de las neuronas. “Dependiendo de la situación”, dice Costa, “ambos tipos de distribución funcionan bien”.
A su vez, Costa y el veterinario Marcelo Beletti, de la Universidad Federal de Uberlândia (UFU), de Minas Gerais, demostraron cómo se organizan los canales internos de los huesos que por donde pasan las arterias y las venas por donde fluye la sangre que irriga y nutre la medula ósea, que es la central de producción de las células sanguíneas. Estas estructuras esponjosas, conocidas como canales de Havers y de Volkmann, obedecen a una jerarquía similar a la de las calles y avenidas de una ciudad: hay caminos principales y secundarios, y alternativas más largas o más cortas. Tal como se plantea en un artículo publicado en Physical Review Letters, hay siempre un camino mínimo entre dos puntos, al margen de haber redundancias: si un canal se obstruye, la sangre encuentra desvíos que compensan el bloqueo.
Estas conclusiones constituyen el resultado de un estudio de un fragmento de fémur de gato, cortado en delgadísimas rodajas y convertido en imágenes. La reconstrucción tridimensional del hueso reveló la existencia de una red de canales con 852 nudos y 1.016 conexiones. En ella, los equipos de Costa y Beletti encontraron eslabones menos importantes, que pueden cerrarse sin problemas, y otros esenciales, cuya pérdida perjudica la irrigación sanguínea. Es un conocimiento que puede ayudar a planear cirugías, implantes y tratamientos médicos más seguros.
Un pequeño mundo – La Teoría de las Redes Complejas sirve de base para una visión más integrada de los organismos vivos, la llamada biología de los sistemas o systems biology. “Las redes complejas se adecuan para modelar y representar los problemas de la biología de los sistemas, pues incorporan las transformaciones de la propia red, con la pérdida o el agregado de elementos o de conexiones”, dice Costa.
Este abordaje ha explicado una característica inesperada de las interacciones sociales, al plantear que la distancia existente entre dos personas cualesquiera era bastante pequeña, y que cualquiera podría alcanzar a otra sin muchos intermediarios: existen en promedio seis niveles de separación entre dos habitantes cualesquiera de la Tierra. Teóricamente, cualquier lector de esta revista puede conocer a alguien que conoce alguien que conoce a la supermodelo Gisele Bündchen. Éste es el así llamado pequeño mundo, una expresión a la que los físicos y los sociólogos ayudaron a dotar de consistencia.
Una de las consecuencias de la aplicación de esta teoría es que, en ciertas ocasiones, algunos elementos de un conjunto – personas, células, genes o proteínas – son más importantes que otros. Hace cinco años, el físico húngaro Albert-László Barabasi, actualmente en la Universidad de Notre Dame, Estados Unidos, mapeó las conexiones existentes entre las páginas de internet y descubrió que éstas seguían la llamada ley de escala: unos pocos nudos – los hubs – hacen muchas conexiones, concentrando el flujo de información de la pantalla de las computadoras. Los hubs son como los aeropuertos, como el de Cumbica, en el Gran São Paulo, que centraliza el tráfico aéreo brasileño.
Los artificios matemáticos de esta teoría reducen fenómenos diferentes a conjuntos de conexiones entre dos o más puntos. Barabasi aplicó este concepto a otros problemas de la biología de los sistemas, como por ejemplo la red de interacción de las proteínas: algunas son más importantes que otras y, si se dañan, pueden poner en riesgo el funcionamiento del organismo que ayudan a formar.
Una sociedad de neuronas – Costa empezó a aplicar los conceptos de la Teoría de las Redes Complejas en 2002. Fue cuando el físico Dietrich Stauffer, de la Universidad de Colonia, Alemania, lo invitó a analizar el funcionamiento de las redes neuronales siguiendo los patrones de conexión de Barabasi. De acuerdo con el modelo clásico, cada neurona se conecta con todos las otras más cercanas, pero la realidad no es precisamente tan democrática. Stauffer y Costa arribaron a un modelo más realista por medio de las redes libres de escala, una de las crías más fértiles de las redes complejas, que llevará a la formación de hubs. De acuerdo con este abordaje, algunas neuronas serían más importantes y harían más conexiones que otras.
“Las neuronas son como los individuos, que aprenden a vivir en sociedad, que es el cerebro”, compara Costa. “Más estímulos tienden a establecer más conexiones entre neuronas, pero pueden también reducir las conexiones.” Según el científico, el funcionamiento del cerebro depende de estas conexiones, seleccionadas desde el nacimiento. El cerebro de un recién nacido contiene alrededor de 100 mil millones de neuronas. Luego migrar de hacia sus sitios definitivos, las células nerviosas establecen el mayor número posible de conexiones con otras neuronas – alrededor de un billón más de lo que serían capaces de usar. Algunos creen que, a los 10 años de edad, sobreviven únicamente aquéllas conexiones más usadas, en razón de los estímulos del ambiente.
Costa cree que tiene entre manos herramientas versátiles, que podrían ayudar a estudiar y solucionar otros problemas, a ejemplo de la identificación de autores de textos literarios, la interpretación de imágenes o la expresión de genes durante el desarrollo animal. Pero también sabe que la matemática por sí sola no resuelve todo. “Trabajos como éste solamente se desarrollan con expertos de muchas áreas, que no sólo suministran datos biológicos, sino que también son indispensables en la interpretación de los resultados de las investigaciones.”
El Proyecto
Desarrollo y evaluación de métodos originales y precisos en análisis de formas e imágenes de visión computacional
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Luciano da Fontoura Costa – IFSC-USP
Inversión
R$ 1.571.439,06 (FAPESP)
R$ 48.000,00 (CNPq)
US$ 180.000,00 (Human Frontier Science Program)
