Matemáticas, una ferramenta paira coñecer o cerebro
"Son o resultado do funcionamento do meu cerebro", afirma o matemático Pedro Larrañaga. Está a traballar en dous proxectos co obxectivo de coñecer o cerebro e nos últimos anos cambiou a nosa forma de ver: "Nos inicios da bioinformática pensamos que eramos o resultado dos nosos xenes. Agora, con todo, o investigador da Universidade Sebastian Seung Princeton, titulado "I am my connecctome", reivindica a súa conectividad. Eu diría que somos o resultado do funcionamento do cerebro".
Paira Larrañaga, o cerebro é o órgano máis "misterioso e complexo" do corpo: "Pesa uns 1,3 kg e ten 85.000 millóns de neuronas e hai mil billóns de conexións entre elas". Na súa opinión, defínenos o funcionamento desta complexidade.
Non nega que os xenes tamén nos fan, "pero tamén as experiencias que vivimos". Relaciónao coa visión bayesiana do mundo: "Na estatística hai dúas perspectivas; una é a chamada frecuentista e a outra é a bayesiana. E na actualidade está a imporse a visión do cerebro como máquina bayesiana. Porque en estatística, ter una visión bayesiana significa que cando teñades un problema, non partes de cero, senón que sempre tes uns antecedentes. É dicir, se a priori tes un coñecemento que pode ser modificado cos datos recolleitos, coas experiencias vividas. Entón, a priori convértense neles a posteriori ".
Segundo Larrañaga, este ciclo vívese de forma ininterrompida. Fronte a outro problema, a posteriori, estes son a priori e tamén poden ser modificados como consecuencia de evidencias ou experiencia. "E isto ten que ver coa nosa visión de nós mesmos. Nós ao principio temos una información xenética, pero a educación e as experiencias vitais fan que o resultado se adapte".
Con esta visión traballa Larrañaga nos dous proxectos que participa no estudo do cerebro. Cajal Blue Brain, entre a Universidade Politécnica de Madrid e o Instituto Cajal do CSIC, e Human Brain Project, a nivel europeo.
Din que é todo o que leva nome
O proxecto Cajal Blue Brain está dirixido por Javier de Felipe, investigador do Instituto Cajal do CSIC, e Larrañaga, responsable dun módulo. Trátase dun proxecto de dez anos, xa no centro. Fan ciencia básica, é dicir, non buscan aplicacións directas, senón coñecer. "Facemos a neuroanatomía e estudamos as columnas da pel do cerebro, a cortiza", explica Larrañaga.
Recollen e analizan información sobre todos os elementos das neuronas. Puntualiza que na actualidade non poden acceder a esta información de forma masiva. "Nós facemos un traballo diferente aos estadounidenses. Eles queren desenvolver a neurotecnología e, en definitiva, conseguir ferramentas tecnolóxicas que permitan a recollida masiva de datos. Teñen gran interese en electrofisiología, é dicir, queren ver con que probabilidade actívanse as neuronas da contorna cando se activa una neurona determinada. Por exemplo, o Instituto Allen está niso".
Con todo, en Cajal Blue Brain tomaron outro camiño. De feito, o seu obxectivo é realizar una clasificación automática das neuronas mediante medidas morfológicas e xa publicaron artigos respecto diso, por exemplo unha análise publicada o ano pasado na revista Nature Reviews Neuroscience, titulado New insights into the classification and nomenclature of cortical GABAergic interneurons.
Segundo Larrañaga, un refrán vasco reflicte adecuadamente a idea que hai detrás: "Din que é todo o que leva nome". O prestixioso neurobiólogo Rafael Yuste tamén utilizou este refrán nos seus artigos e conferencias, "e iso é o que queremos facer, pór nome ás neuronas".
Clasificacións, deseños e previsións
Hai dous tipos de neuronas, piramidales e interneuronas. As piramidales son similares entre si, as interneuronas son moi variadas en canto ao seu aspecto. "Por iso non é fácil que todos utilicemos o mesmo nome porque non todos os clasificamos igual". Neste sentido, considera de gran interese e utilidade a análise publicada o ano pasado. "Nós creamos clusters, é dicir, agrupamos aos que teñen características similares, nun mesmo grupo, e os que teñen outras características noutro grupo, e así creamos un sistema de clasificación".
Ademais de clasificar as neuronas, Cajal Blue Brain pretende responder a unha pregunta: o cerebro ten un deseño óptimo? "Segundo os biólogos, o cerebro está deseñado segundo unhas normas, entre as que se atopa a mínima lonxitude das árbores dendríticos. Nós tratamos de demostralo con técnicas de intelixencia artificial e, segundo os nosos estudos, non é do todo óptima. E é que cunha máquina conseguimos un mellor resultado que o noso cerebro. Por tanto, temos marxe de mellora", afirmou Larrañaga no medio broma.
Doutra banda, tamén se estudou se as sinapsis organízanse de forma aleatoria ou segundo un modelo concreto, e han visto que a localización das sinapsis non é do todo aleatoria, que detrás da súa localización hai un modelo matemático. Ademais, tratouse de clasificar os tipos de espiñas dendríticas. "Coas espiñas dendríticas fixemos o mesmo que cos clusters de Internet. Investigamos máis de 8.000 espiñas, recollendo da súa imaxe 50 variables ou parámetros e procedendo á súa clasificación automática. A pesar de que até agora se distinguiron tres tipos, mediante modelos matemáticos distinguimos sete tipos".
Larrañaga adianta que este traballo se publicará proximamente. Así mesmo, advirte de que só se analizaron as neuronas de dúas persoas, una de 40 anos e outra de 85, polo que para que os resultados sexan máis consistentes, deben realizar a mesma investigación con máis persoas. Con todo, os investigadores han visto que a distribución das ciruelas non é a mesma nestas dúas persoas e creen que a idade pode estar relacionada con iso.
Por último, no proxecto Cajal Blue Brain tamén se investiga en neuroinformática predictiva. Segundo Larrañaga, trátase de comprobar si son capaces de predicir o comportamento electrofisiológico dunha neurona en base á súa aparencia e características xenéticas. "O noso obxectivo é ver si existe relación entre aparencia, característica xenética e comportamento electrofisiológico paira poder facer predicións".
Cooperación internacional
Pedro Larrañaga traballa non só en Cajal Blue Brain, senón tamén no proxecto europeo Human Brain Project. O matemático definiuno como un proxecto "xigante": "Cóntanos: A Unión Europea debía seleccionar dous proxectos prioritarios paira a próxima década. Pois un é o grafeno e o outro o cerebro. Anunciouse en febreiro do ano pasado e prolongarase até o 2022, onde estamos a traballar máis de 85 organizacións e máis dun centenar de laboratorios".
Ten tres obxectivos principais. A primeira é coñecer o cerebro, a segunda é investigar enfermidades neurodegenerativas e a terceira é desenvolver computadores neuromórficos, supercomputadores que imitan o funcionamento do cerebro. "O problema é que os supercomputadores teñen mala eficiencia enerxética respecto ao cerebro. Por tanto, o terceiro obxectivo é atopar una solución".
O equipo de Larrañaga traballa no seu primeiro obxectivo. Explica que hai once subproyectos dentro de Human Brain Project que lideran o quinto, o subproyecto neuroinformático. Así explicou o seu traballo: "A nosa misión é desenvolver ferramentas matemático-estatístico-computacionales paira converter os datos que nos achegan os biólogos en modelos matemáticos".
Así, traballan con neuronas piramidales: "Investigamos interneuronas en Cajal Blue Brain e aquí neuronas piramidales. En concreto, temos que facer un modelo matemático paira as neuronas piramidales. E aí estamos".
En Human Brain Project, en principio, o ideal sería recoller e integrar a información obtida por todos os grupos de traballo. Con todo, Larrañaga non cre que sexa fácil, en parte porque é difícil coordinar e unificar tantas investigacións, pero sobre todo porque esixe un cambio cultural nalgunhas áreas de investigación.
Segundo Larrañaga, "nós estamos afeitos publicar os nosos datos e a que outros fagan as súas investigacións. Con todo, os neurobiólogos non teñen esa cultura, gardan os datos que obteñen paira eles. E iso é un gran obstáculo paira avanzar". En calquera caso, Human Brain Project está nos seus inicios e vai dar moito que falar nos próximos anos.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
