Las redes complejas y el cerebro (I)

Hoy toca hablar de uno de los sistemas biológicos más intrigantes a que nos enfrentamos: el cerebro. Y es que probablemente durante las próximas décadas nuestro conocimiento sobre el cerebro (humano o no) vaya a avanzar considerablemente. Mucho nos jugamos en ello, ya que el aumento de la esperanza de vida ha disparado la incidencia de enfermedades cerebrales, convirtiéndose en uno de los principales focos de atención en investigación médica. Se preguntarán que pueden aportar las herramientas metodológicas desarrolladas en el marco de las Redes Complejas al estudio del cerebro. Yo pienso que mucho, pero déjenme que les explique porque…

Seguro que todos conocen el programa de televisión, Redes, donde el carismático divulgador científico Eduard Punset nos recuerda cada semana lo apasionante que puede ser la ciencia. Los que lo sigan, habrán comprobado el tiempo que se dedica a explicar tanto el funcionamiento del cerebro como sus consecuencias en la actividad vital de las personas. Y es que el cerebro es una gran RED formada por miles de millones de neuronas (se estima que alrededor de cien mil millones).

Sin embargo, ¿cuál es principal problema a la hora de analizar dicha red?  Pues que no disponemos actualmente de una tecnología que nos permita obtener la compleja red de interacciones entre neuronas de un cerebro humano, ya sea en plena actividad o diseccionado encima de una mesa. Esta limitación aparecerá siempre en cualquier estudio sobre anatomía o dinámica cerebral, sin embargo, podemos intentar buscar aproximaciones que nos permitan obtener alguna información sobre lo que está pasando dentro de nuestras cabezas…

¿Cómo obtener una red cerebral?

Principalmente existen dos vías paralelas: por un lado, podemos realizar una parcelación de las diferentes regiones del cerebro, obtener sus conexiones físicas mediante un estudio histológico o análisis de imagen y obtener así lo que se conoce como una Red Anatómica. Por otro lado, podemos medir la dinámica de distintas zonas del cerebro durante una actividad cognitiva o motora (mediante resonancia magnética funcional, electroencefalografía o magnetoencefalografía), buscar las relaciones o dependencias que existen entre las distintas zonas analizadas y obtener así una Red Funcional.

Figura 1.- Como obtener una red cerebral (anatómica o funcional). Obtenida de  Bullmore et al., Nature, 10, 186 (2009).

Una vez obtenida la red, es el momento de comenzar analizarla bajo la perspectiva de las redes complejas. Las posibilidades son muchas, desde cuantificar cual es la eficiencia en la transmisión de información dentro la red, detectar la existencia de comunidades o clusters que realizan una determinada función, analizar la robustez de la red frente a fallos aleatorios o selectivos, o cuantificar la importancia (centralidad) de cada uno de los nodos.

Sin embargo lo más importante es comprender qué nueva información nos puede aportar este tipo de análisis. La respuesta es doble, ya que por un lado, nos permite comprender mejor como se reorganizan las redes funcionales cuando realizan una determinada actividad cognitiva y cual es su relación con la red anatómica subyacente. Por otro lado, nos permite comparar el estado de las redes obtenidas en sujetos sanos con aquellas provenientes de pacientes con una determinada patología. De esta manera, es posible obtener nueva información sobre el origen y desarrollo de distintas enfermedades cerebrales.

Prometo profundizar más en el tema, pero eso será la semana que viene…

PS: … si han llegado hasta aquí es que tal vez les interese el tema. Les dejo un seminario, impartido recientemente en la Universidad Politécnica de Madrid, que profundiza más en este tipo de estudios. De él hablaremos en la próxima entrada.

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Comentarios

Muy interesante y sin duda uno de los campos de investigación que seguro que nos aportará nuevos resultados a corto plazo. Quedo a la espera de la siguiente entrega!

[...] El cerebro humano, probablemente el sistema complejo del que menos cosas conocemos, no se escapa al análisis desde la perspectiva de las Redes Complejas. Algunos resultados ya están sobre la mesa. Compromiso social por la ciencia Master Site Feed Posts [...]

Buenas,
Enhorabuena por el blog, me parece muy interesante lo que estáis publicando en él. Respecto a las redes funcionales, quería preguntar si se han detectado diferencias entre redes de sujetos sanos y pacientes con, por ejemplo, Alzheimer.
Un saludo.

Estos tipos de la Rey Juan Carlos saben mucho de este tema, pero el problema es que se enfrentan a posiblemente el mayor desafío del s.XXI en el ámbito de la complejidad aplicada a la biología. El enfoque computacional tradicional de este problema es claramente insuficiente, y es probable que jamás seamos capaces de modelizar el funcionamiento de los 100.000 millones de neuronas y sus cien billones de conexiones (¿quizás con el ordenador cuántico, Cirac?) Mientras, simplificaciones como las que presenta Javier Martín-Buldú en este breve texto están dando buenos resultados, aunque la ansiedad por conseguir resultados médicamente relevantes sea grande (y lógica), y por ahí las cosas vayan más lentas. Quizás, y como pide Sergio Sánchez, Javier MB nos pueda dar más información a este respecto. Claro que siempre podemos hincarle el diente al gusano C. Elegans y sus 302 neuronas…

Mientras, os recomiendo encarecidamente el artículo de Investigación y Ciencia (Marzo 2011) llamado precisamente “Cien billones de conexiones”, de Carl Zimmer (http://www.investigacionyciencia.es/Digital/Articulos00.asp). Es un repaso muy completo y apasionante a los trabajos computacionales y experimentales que se han llevado a cabo últimamente en este campo. A ver si os gusta.

lll

Hola Sergio,
Efectivamente existe una línea de trabajo dedicada a diferenciar entre pacientes enfermos y sujetos sanos mediante el análisis de la estructura de la red funcional. De ello hablaremos en la siguiente entrada, aunque ya te avanzo que precisamente la enfermedad de Alzheimer fue una de las primeras en ser estudiadas bajo esta perspectiva [Stam et al., Cereb Cortex, 17, 92 (2006)]

Gracias por tu comentario Jakorr,
Estoy de acuerdo con todo lo que dices. De hecho, me gustaría remarcar que este tipo de estudios (los realizados mediante análisis de redes funcionales) son solo una aproximación muy burda al problema. La información que sacamos solo nos da pistas sobre lo que está pasando. Aún así es información muy valiosa, ya que nos puede indicar hacia donde mirar en un futuro.

Muy interesante. Parece que las redes complejas tienen muchas mas aplicaciones que las evidentes. Definitivamente una “nueva rama” de la ciencia que nos permite analizar problemas antiguos desde una nueva optica. Felicidades por el articulo!

Interesantísimo, siendo una recien llegada a este campo de conocimiento lo encuentro apasionante. Gracias tambien por hacerlo semánticamente accesible para quienes nos acercamos desde otras disciplinas

por si a alguien le puede interesar este artículo
aparecido en prensa sobre la h-excelencia:

http://www.ellibrepensador.com/2011/09/30/la-inconsistencia-de-la-h-excelencia-i/

Bravo, Javier, sigue así

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