Tu cerebro en una computadora

18/07/2018 0 comentarios
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Los modelos computacionales del funcionamiento del cerebro nos están ayudando a entender mucho mejor la relación entre estructura, fisiología y función. Existen varios tipos de modelos y aquí se enfatizan los que tratan de explicar las funciones cerebrales más generales con el mínimo de recursos computacionales.

Probablemente ustedes hayan oído hablar del proyecto Blue Brain (ver cajalbluebrain). El objetivo de este ambicioso proyecto es recrear o simular el funcionamiento de un cerebro a través de una supercomputadora. La idea es simular la actividad de grandes regiones del cerebro mediante todos los procesos neuronales más básicos que se conocen. Para poder realizar esta tarea computacionalmente titánica, se debe conocer cómo están conectadas entre sí millones de neuronas y cuál es su dinámica de funcionamiento. Una vez tengamos un cerebro virtual (o parte), podremos utilizarlo para probar la acción de fármacos, la evolución de distintas enfermedades o explorar el funcionamiento básico de la mente.

Una cuestión que surge a partir de la existencia de este macro proyecto sería: ¿Deja obsoletas este proyecto, y otros similares, otras aproximaciones computacionales con menos medios tecnológicos y económicos? Mi creencia es que no. No, porque incluso una aproximación tan brillante puede tener sus defectos. Un inconveniente importante es el tiempo que se necesita para desarrollarse. Piensen que hasta ahora se han conseguido construir sólo unas cuantas columnas corticales (del tamaño de cilindros de 1mm de largo y un diámetro de 0,5mm). Además, ¿estamos seguros de que se están incluyendo todos los ingredientes necesarios para la simulación? No podemos estar completamente seguros. Hasta hace poco, por ejemplo, se pensaba que los astrocitos sólo servían como estructura soporte del resto de neuronas y ahora sabemos que también tienen capacidad computacional. Aunque los astrocitos hayan sido incluidos en este cerebro virtual, puede que otras unidades funcionales relevantes no.
Por ello, otras aproximaciones no deben ser desechadas o consideradas como obsoletas. Así pues, desde el punto de vista de las simulaciones computacionales ¿qué otras aproximaciones se están llevando a cabo?


La aproximación más prometedora desde mi punto de vista es la simulación de redes neuronales a gran escala. Se trata de construir una red que representa los centros y conexiones cerebrales más importantes. Sería como construir un mapa donde consideramos sólo las ciudades más importantes de un país y trazamos sólo las autovías y carreteras nacionales que comunican a esas ciudades. Y sí, nos olvidamos de los pueblos pequeños y las carreteras secundarias.

 Estructura cerebral en forma de red

¿Qué nos puede aportar esta perspectiva algo más humilde?

Desde mi punto de vista, es una aproximación que conserva las virtudes más importantes del método científico:

Primero: Eficiencia. La ciencia siempre busca explicar los fenómenos naturales usando explicaciones sencillas.

Segundo: Capacidad de establecer con facilidad relaciones causa efecto. Como el modelo es sencillo, los efectos de una manipulación pueden ser observados con facilidad.

Tercero: La replicabilidad es muy sencilla ya que cualquiera que entienda el modelo puede reproducirlo en su computadora de casa.

 

Uno de los investigadores más destacados a nivel mundial de este tipo de modelos es Gustavo Deco y su equipo, situados en la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona.

¿En qué consisten exactamente estos modelos?

Los modelos de este tipo que se desarrollan en la actualidad consisten en:

a) Generar una estructura simple del cerebro a partir de un escaner realizado a unos cuantos voluntarios.

b) Una vez se tiene esa estructura con forma de red o grafo, a cada uno de sus elementos se les da una dinámica, es decir, se les asigna una capacidad para interaccionar con los demás elementos mediante una expresión matemática (ecuación diferencial).

c) Se ajustan los parámetros de la dinámica del modelo para que se parezca lo máximo posible a las señales obtenidas de cerebros reales (resonancia magnética o EEG)

d) El resultado es un modelo muy simple de un cerebro completo

 

EstructuraFuncion.jps 

En la imagen superior se recrea una estructura con unidades en rojo y conexiones de neón. Las fórmulas cercanas a cada unidad indican sus dinámicas y cómo se relacionan entre sí.

 

Como seguramente ya estén pensando, la clave para que este invento virtual funcione está en la estructura que obtengamos y en las expresiones matemáticas que introducen la dinámica en el modelo. ¡De hecho hay muchas posibilidades y ninguna parece ser mejor que la otra!!

El sueño de todo investigador en esta área de conocimiento, y el mío propio, es dar con la estructura y las ecuaciones que expliquen de modo simple la complejidad funcional del cerebro. Pero esto, hasta día de hoy, o no se puede (y tendremos que esperar a los modelos titánico de fuerza bruta), o aún no hemos dado con ellas.

Finalmente, no quiero dejar de recalcar que mi intención aquí no es más que recalcar la importancia de las aproximaciones computacionales a gran escala. Evidentemente la relevancia de los grandes proyectos internacionales como BlueBrain está fuera de toda duda.