Matemàtiques, una eina per a conèixer el cervell

2014/06/01 Galarraga Aiestaran, Ana - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Matematika
• Anatomia/Fisiologia
• Osasuna

"Sóc el resultat del funcionament del meu cervell", afirma el matemàtic Pedro Larrañaga. Està treballant en dos projectes amb l'objectiu de conèixer el cervell i en els últims anys ha canviat la nostra manera de veure: "En els inicis de la bioinformática pensem que érem el resultat dels nostres gens. Ara, no obstant això, l'investigador de la Universitat Sebastian Seung Princeton, titulat "I am my connecctome", reivindica la seva connectivitat. Jo diria que som el resultat del funcionament del cervell".

Per a Larrañaga, el cervell és l'òrgan més "misteriós i complex" del cos: "Pes uns 1,3 kg i té 85.000 milions de neurones i hi ha mil bilions de connexions entre elles". En la seva opinió, ens defineix el funcionament d'aquesta complexitat.

No nega que els gens també ens fan, "però també les experiències que vivim". Ho relaciona amb la visió bayesiana del món: "En l'estadística hi ha dues perspectives; una és l'anomenada frecuentista i l'altra és la bayesiana. I en l'actualitat s'està imposant la visió del cervell com a màquina bayesiana. Perquè en estadística, tenir una visió bayesiana significa que quan tingueu un problema, no parts de zero, sinó que sempre tens uns antecedents. És a dir, si a priori tens un coneixement que pot ser modificat amb les dades recollides, amb les experiències viscudes. Llavors, a priori es converteixen en ells a posteriori ".

Segons Larrañaga, aquest cicle es viu de manera ininterrompuda. Enfront d'un altre problema, a posteriori, aquests són a priori i també poden ser modificats com a conseqüència d'evidències o experiència. "I això té a veure amb la nostra visió de nosaltres mateixos. Nosaltres al principi tenim una informació genètica, però l'educació i les experiències vitals fan que el resultat s'adapti".

Amb aquesta visió treballa Larrañaga en els dos projectes que participa en l'estudi del cervell. Cajal Blue Brain, entre la Universitat Politècnica de Madrid i l'Institut Cajal del CSIC, i Human Brain Project, a nivell europeu.

Diuen que és tot el que porta nom

El projecte Cajal Blue Brain està dirigit per Javier de Felipe, investigador de l'Institut Cajal del CSIC, i Larrañaga, responsable d'un mòdul. Es tracta d'un projecte de deu anys, ja en el centre. Fan ciència bàsica, és a dir, no busquen aplicacions directes, sinó conèixer. "Fem la neuroanatomía i estudiem les columnes de la pell del cervell, l'escorça", explica Larrañaga.

Recullen i analitzen informació sobre tots els elements de les neurones. Puntualitza que en l'actualitat no poden accedir a aquesta informació de manera massiva. "Nosaltres fem un treball diferent als estatunidencs. Ells volen desenvolupar la neurotecnología i, en definitiva, aconseguir eines tecnològiques que permetin la recollida massiva de dades. Tenen gran interès en electrofisiología, és a dir, volen veure amb quina probabilitat s'activen les neurones de l'entorn quan s'activa una neurona determinada. Per exemple, l'Institut Allen està en això".

Tanmateix, en Cajal Blue Brain han pres un altre camí. De fet, el seu objectiu és realitzar una classificació automàtica de les neurones mitjançant mesures morfològiques i ja han publicat articles sobre aquest tema, com per exemple una anàlisi publicada l'any passat en la revista Nature Reviews Neuroscience, titulat New insights into the classification and nomenclature of cortical GABAergic interneurons.

Segons Larrañaga, un refrany basc reflecteix adequadament la idea que hi ha darrere: "Diuen que és tot el que porta nom". El prestigiós neurobiólogo Rafael Yuste també ha utilitzat aquest refrany en els seus articles i conferències, "i això és el que volem fer, posar nom a les neurones".

Classificacions, dissenys i previsions

Hi ha dos tipus de neurones, piramidals i interneuronas. Les piramidals són similars entre si, les interneuronas són molt variades quant al seu aspecte. "Per això no és fàcil que tots utilitzem el mateix nom perquè no tots els classifiquem igual". En aquest sentit, considera de gran interès i utilitat l'anàlisi publicada l'any passat. "Nosaltres hem creat clústers, és a dir, hem agrupat els que tenen característiques similars, en un mateix grup, i els que tenen altres característiques en un altre grup, i així hem creat un sistema de classificació".

A més de classificar les neurones, Cajal Blue Brain pretén respondre a una pregunta: el cervell té un disseny òptim? "Segons els biòlegs, el cervell està dissenyat segons unes normes, entre les quals es troba la mínima longitud dels arbres dendríticos. Nosaltres hem tractat de demostrar-ho amb tècniques d'intel·ligència artificial i, segons els nostres estudis, no és del tot òptima. I és que amb una màquina hem aconseguit un millor resultat que el nostre cervell. Per tant, tenim marge de millora", ha afirmat Larrañaga al mig broma.

D'altra banda, també s'ha estudiat si les sinapsis s'organitzen de manera aleatòria o segons un model concret, i han vist que la ubicació de les sinapsis no és del tot aleatòria, que darrere de la seva ubicació hi ha un model matemàtic. A més, s'ha tractat de classificar els tipus d'espines dendríticas. "Amb les espines dendríticas hem fet el mateix que amb els clústers d'Internet. Hem investigat més de 8.000 espines, recollint de la seva imatge 50 variables o paràmetres i procedint a la seva classificació automàtica. A pesar que fins ara s'han distingit tres tipus, mitjançant models matemàtics hem distingit set tipus".

Larrañaga avança que aquest treball es publicarà pròximament. Així mateix, adverteix que només s'han analitzat les neurones de dues persones, una de 40 anys i una altra de 85, per la qual cosa perquè els resultats siguin més consistents, han de realitzar la mateixa recerca amb més persones. No obstant això, els investigadors han vist que la distribució de les prunes no és la mateixa en aquestes dues persones i creuen que l'edat pot estar relacionada amb això.

Finalment, en el projecte Cajal Blue Brain també s'investiga en neuroinformática predictiva. Segons Larrañaga, es tracta de comprovar si són capaços de predir el comportament electrofisiológico d'una neurona sobre la base de la seva aparença i característiques genètiques. "El nostre objectiu és veure si existeix relació entre aparença, característica genètica i comportament electrofisiológico per a poder fer prediccions".

Cooperació internacional

Pedro Larrañaga treballa no sols en Cajal Blue Brain, sinó també en el projecte europeu Human Brain Project. El matemàtic l'ha definit com un projecte "gegant": "Explica'ns: La Unió Europea havia de seleccionar dos projectes prioritaris per a la dècada vinent. Perquè un és el grafè i l'altre el cervell. Es va anunciar al febrer de l'any passat i es prolongarà fins al 2022, on estem treballant més de 85 organitzacions i més d'un centenar de laboratoris".

Té tres objectius principals. La primera és conèixer el cervell, la segona és investigar malalties neurodegeneratives i la tercera és desenvolupar ordenadors neuromórficos, supercomputadors que imiten el funcionament del cervell. "El problema és que els supercomputadors tenen mala eficiència energètica respecte al cervell. Per tant, el tercer objectiu és trobar una solució".

L'equip de Larrañaga treballa en el seu primer objectiu. Explica que hi ha onze subprojectes dins d'Human Brain Project que lideren el cinquè, el subprojecte neuroinformático. Així ha explicat el seu treball: "La nostra missió és desenvolupar eines matemàtic-estadístic-computacionals per a convertir les dades que ens aporten els biòlegs en models matemàtics".

Així, treballen amb neurones piramidals: "Investiguem interneuronas en Cajal Blue Brain i aquí neurones piramidals. En concret, hem de fer un model matemàtic per a les neurones piramidals. I aquí estem".

En Human Brain Project, en principi, l'ideal seria recollir i integrar la informació obtinguda per tots els grups de treball. No obstant això, Larrañaga no creu que sigui fàcil, en part perquè és difícil coordinar i unificar tantes recerques, però sobretot perquè exigeix un canvi cultural en algunes àrees de recerca.

Segons Larrañaga, "nosaltres estem acostumats a publicar les nostres dades i al fet que uns altres facin les seves recerques. No obstant això, els neurobiólogos no tenen aquesta cultura, guarden les dades que obtenen per a ells. I això és un gran obstacle per a avançar". En qualsevol cas, Human Brain Project està en els seus inicis i donarà molt a parlar en els pròxims anys.