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lunes, 23 de marzo de 2015

La ciencia del sabor

El gusto no es elegante. Pertenece más bien a los bajos instintos. La vista o el oído han sido profusamente estudiados y modelados por la ciencia y la tecnología. Recientemente el sentido del gusto ha empezado a atraer a la tecnología de los ordenadores.



Alimentarse es esencial para los seres vivos. Los animales estamos dotados del sentido del gusto de forma que nos acercamos a las sustancias que son buenas para nosotros y nos alejamos de las malas. Unas tiene buen sabor y las otras repugnan.
La vista es un sentido muy complejo y muy estudiado. Formular un modelo matemático y una simulación por ordenador de un sistema visual atrae a cualquier programador. Otros sentidos como la audición corren igual suerte. Pero el gusto y el olfato están olvidados por la ciencia. Aunque no por la industria.
El gusto y el olfato son sentidos químicos. Detectan sustancias químicas que se encuentran a nuestro alrededor o que nos llevamos a la boca. El gusto se percibe por las papilas gustativas que se encuentran en la boca. El olfato por neuronas olfatorias situadas en la nariz.
Tenemos papilas gustativas que detectan tan solo cuatro sabores: amargo, dulce, ácido y salado. Sin embargo distinguimos muchos más sabores. Aunque en realidad, más que sabores son olores. Al masticar y tragar, se desprenden múltiples olores que son detectados por el olfato. Resulta sin embargo que estos olores no se perciben en la nariz sino en la boca y no en forma de olor sino de sabor. Se cree que podemos distinguir miles de olores distintos. Un componente adicional es el tacto. La textura es esencial en los alimentos y así distinguimos algo duro o esponjoso o crujiente.
La expresión del gusto y el olfato en el cerebro es limitada. Otros sentidos tienen una representación mucho mayor en la corteza cerebral. Los sentidos químicos por el contrario se representan en zonas más profundas y antiguas del cerebro y están muy cercanos a los centros emocionales. Una característica del olfato es que es uno de los pocos lugares donde se crean neuronas toda la vida mientras que en el resto del sistema nervioso no se crean mas neuronas a partir de la primera infancia.
Este mundo antiguo y primitivo de los sabores y los olores es, además de vital, objeto de atención de la tecnología y la ciencia desde hace poco.
Sin olvidarnos de la industria. El negocio de los perfumes lleva siglos en marcha. La comida es esencial y resiste cualquier crisis. La producción, conservación, elaboración y distribución de los alimentos es un negocio que nunca acabará mientras existan humanos. Y en todos esos pasos se ha aplicado la ciencia. Quizá la elaboración sea el campo más reciente. Infinidad de productos precocinados están en las tiendas de alimentación. Hace unos años existían solo las sopas y poco más. Hoy hay decenas de nuevos productos.
La comida es fuente de noticias permanente. Por ejemplo en relación a la dieta. Comer bien, barato y sano está en el foco de muchas informaciones y noticias científicas. Hay incluso quien considera que no es necesario comer alimentos y ha fabricado un brebaje con lo necesario para subsistir. Pese a los enormes controles sanitarios, los fraudes alimentarios son constantes, como el de la carne de caballo.
¿Distinguimos los ingredientes de la la comida? ¿Somos unos excelentes gourmets? ¿Y el vino? Muchas personas se consideran expertas. Pero hay mucho de ficción y una auténtica cata a ciegas deja en evidencia a los mejores sumiller.
Pero si algo ha triunfado son las recetas por Internet. Cientos de páginas con miles de recetas pueblan la web y están entre las más visitadas. Además, muchas de ellas contienen vídeos con la forma de preparar la "receta de la abuela".
Hace algún tiempo IBM publicó sus 5 predicciones para los próximos 5 años. Esta vez estaban dedicadas a los sentidos. Respecto del gusto se decía:
Los ordenadores sabrán descomponer la química de los sabores y encontrar su conexión con la psicología del placer que nos lleva a consumirlos. Entonces podremos conseguir nuevas combinaciones hasta ahora inexploradas. Y más importante aún, conseguirán que la comida más saludable sea la más apetitosa mejorando los hábitos de alimentación del mundo. La comida es algo tan serio que los ordenadores van a tener que ocuparse de ella.
El caso es que la carrera ya ha empezado. James Briscione es un chef que trabaja codo con codo con un ordenador que le sugiere los mejores ingredientes para nuevos e innovadores platos. El objetivo no es almacenar el conocimiento existente, sino crear algo nuevo. La mezcla de sabores que maneja alcanza los millones de combinaciones. Desde luego muchas son detestables. El truco está en combinar la química y la psicología del sabor para averiguar qué combinación es placentera. Debe de ser un programa que aprende con los juicios de los comensales. Además debe de usar información no estructurada ya que hay que decirle cosas tan ambiguas como rico, amargo, soso o extraño referidas al sabor. Por lo pronto parte de 20.000 recetas para empezar. El sistema no solo no es perfecto sino que carece de elementos básicos como la forma de preparación, la presentación, la cocción...
Recientemente, Watson, el software que ganó el concurso de TV Jeopardy, se ha metido en la cocina en forma de un producto llamado Cheff Watson, una alianza de IBM y la empresa Bon Appétit
El gusto es química y ambos son ciencia. La tecnología ha llegado para innovar la cocina. Quizá pronto además del horno, la vitrocerámica, el frigorífico o la olla presión, tengamos una ayuda adicional en los fogones. Puede que la próxima gran cocinera sea una máquina.

domingo, 12 de mayo de 2013

El coste de tener un cerebro muy grande


Lucy es el nombre del esqueleto de un homínido, un Australopitecus, que se encuentra en el Museo Nacional de Etiopía en Addis Abeba. Tiene 3,2 millones de años de edad y su característica más importante es que caminaba de pie. La evolución humana trajo consigo unos cerebros muy grandes con un enorme coste energético. La bipedestación, el uso de las manos, el lenguaje, las capacidades cognitivas, la cultura y la dieta están unidas en el desarrollo humano, pero aún no sabemos cómo.

Lucy tenía el cerebro del tamaño de un chimpancé y no era muy distinta cognitivamente. Desde entonces el volumen del cerebro se ha multiplicado por 3, desde el medio litro de Lucy y los chimpancés hasta el litro y medio de los humanos.

El cerebro humano consume una quinta parte de todas las calorías que ingerimos. Es una cantidad enorme y alimentarlo supuso para nuestros antepasados cambios fundamentales en varias áreas (como curiosidad conviene decir que un cerebro humano consume 20 vatios, lo que una bombilla pequeña. Por contraposición, el superordenador más grande consume 8 megavatios, medio millón de veces más).

El esqueleto de Lucy muestra a las claras que la bipedestación es anterior al crecimiento del cerebro. Andar de pié además modifica la pelvis y el parto. Como consecuencia, los cráneos de los homínidos no nacen totalmente formados. Los huesos terminan de cerrarse a los dos años del nacimiento lo que permite que el cerebro siga creciendo después del parto, algo que no ocurre en el resto de los simios.

La bipedestación trajo otros cambios. Nuestros antepasados podían recorrer mayores distancias sin cansarse y perseguir a la caza durante jornadas. También permitió ver desde una mayor altura lo que resultaba conveniente en las altas hierbas de la sabana. Además dejaba las manos libres lo que permitió fabricar instrumentos y crear una cultura cada vez más compleja. Todo ello trajo consigo un progresivo aumento del cerebro, mayor cultura y más habilidades cognitivas.

Los estudios parecen indicar que la bipestación conlleva un menor coste energético, de modo que los homínidos podían gastar más en pensar ya que su locomoción era más económica. Pero otros factores también han influido.

La caza permitió una dieta más rica, hacer más con menos cantidad de comida y disponer de tiempo libre. La cultura tiene una doble influencia. La cría de la prole en grupos era facilitada por la caza de la manada. Y la independencia del clima se vio favorecida por el vestido y la vivienda.



Saber cómo evolucionaron todos estos aspectos llevará años de investigación antropológica y genética. Mientras tanto, el fascinante recorrido del ser humano desde los tiempos de Lucy seguirá siendo un misterio.

Publicado originalmente en ALT1040

miércoles, 7 de diciembre de 2011

ESPINA, una nueva herramienta informática para el avance de la neurociencia desarrollada por el equipo Cajal Blue Brain

Investigadores de la UPM y del CSIC, en el ámbito del proyecto Cajal Blue Brain, desarrollan ESPINA, una nueva herramienta informática de libre distribución que permite profundizar en el estudio de la estructura del cerebro. Su utilización hará posible explorar nuevas hipótesis de cara a mejorar la comprensión del funcionamiento del cerebro humano o a buscar nuevas soluciones en la lucha contra enfermedades como el Alzheimer, la epilepsia o el Parkinson.
Reconstrucción tridimensional de las sinapsis. El color indica si la sinapsis es simétrica (rojo) o asimétrica (verde).
Como resultado de una investigación realizada en el ámbito del proyecto Cajal Blue Brain, investigadores de la UPM (CeSViMa, Facultad de Informática, CTB) y del CSIC (Laboratorio Cajal de Circuitos Corticales) han desarrollado ESPINA, una aplicación informática de libre distribución que permite extraer nueva información acerca de la estructura del cerebro. En concreto, a partir de las imágenes tridimensionales obtenidas mediante un microscopio electrónico, el experto puede analizar semi-automáticamente de forma cuantitativa las diferentes estructuras presentes en las imágenes digitales del tejido cerebral , como por ejemplo las sinapsis, mitocondrias, vesículas, axones, dendritas, etc.
La investigación se ha centrado en el conteo de las sinapsis en diferentes capas de la corteza cerebral. El análisis de los resultados obtenidos permitirá establecer nuevas hipótesis acerca de la organización de las conexiones neuronales. El estudio se está aplicando a diferentes especies, entre ellas, el ser humano. Algunos de los resultados de las investigaciones realizadas1,2 ya se han publicado en diversas revistas científicas y se han dado a conocer en diversos congresos internacionales.
Las principales funcionalidades de la herramienta ESPINA abarcan desde la exploración tridimensional de los tejidos digitalizados, pasando por la segmentación de las estructuras de interés para los expertos neurocientíficos, hasta la reconstrucción tridimensional de las estructuras cerebrales segmentadas o la extracción de nuevos parámetros para caracterizar cada una de las estructuras segmentadas así como poblaciones de las mismas.
ESPINA se ha desarrollado en el lenguaje de programación Python y se ha diseñado utilizando herramientas de libre distribución, como por ejemplo, Qt para el desarrollo del interfaz gráfico, VTK para la visualización tridimensional de los datos o ITK para el procesamiento de las imágenes, lo cual ha permitido asimismo distribuirla libremente. ESPINA es una herramienta multiplataforma, estando en explotación tanto en computadores con sistema operativo Linux como Windows.
En estos momentos no existe ninguna aplicación informática de similares características tanto por la naturaleza singular de los datos que es capaz de procesar como por la funcionalidad programada. Gracias a ESPINA los expertos han conseguido acelerar el análisis de los datos disponibles con las nuevas tecnologías de captura de datos existentes en la actualidad.
1Morales, J; Alonso-Nanclares, L; Rodríguez, JR; Merchán-Pérez, A; Defelipe, J; Rodríguez, A. Fast interactive quantification of synapses in the cerebral cortex. International Journal on Artificial Intelligence Tools 20 (2) Sp. Iss. SI: 239-252. 2011
2Morales, J; Alonso-Nanclares, L; Rodríguez, JR; Defelipe, J; Rodríguez, A.; Merchán-Pérez, A, ESPINA: a tool for the automated segmentation and counting of synapses in large stacks of electron microscopy images. Frontiers in Neuroanatomy 5 (18) SI: 1-8. 2011

viernes, 12 de noviembre de 2010

Jornada sobre el proyecto Cajal Blue Brain

El día 11 de Noviembre de 2010 se celebró la jornada "Circuitos corticales y cognición: el proyecto "Cajal Blue Brain"" en el aula Gregorio Marañón del Ilustre Colegio Oficial de Médicos de Madrid. La calidad de los ponentes, el marco en el que se celebró, el renombre del proyecto y el contenido de los temas tratados convirtieron la jornada en un acto de sumo interés.
El aula tiene el sabor de los tiempos en los que los estudiantes ocupaban los pasillos del piso superior para observar las operaciones realizadas por sus profesores. Entre otros, impartió allí sus clases Santiago Ramón y Cajal. La jornada fue intensa y daré solo un apunte aproximado de los temas tratados y recogidos por mi memoria.
Carlos Pelta de la UCM (Universidad Complutense de Madrid) fue el atento organizador que aunó esfuerzos y voluntades para que el acto pudiera desarrollarse y al que todo el mundo quedó agradecido.
Gonzalo León Serrano, Vicerrector de Investigación de la UPM (Universidad Politécnica de Madrid), explicó los desafíos de una investigación de este tipo. Las universidades están acostumbradas a proyectos a corto plazo con escasa cooperación. El Proyecto Cajal Blue Brain cambia por completo el paradigma. Supone una enorme inversión de 25M€, el trabajo interdisciplinar de muchas especialidades distintas y la coordinación con otras instituciones, notablemente la EPLF (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne). Explicó el Vicerrector cómo convenció al Ministerio, como uso similares argumentos para convencer a la UE y el particular mecanismo de financiación que ha permitido que el proyecto se lleve a cabo.
Manuel Martín-Loeches (UCM-ISCIII), autor del libro La mente del 'Homo Sapiens', planteó con acierto la investigación actual basándose en la idea de la importancia de las conexiones. La diferencia esencial entre el hombre y otras especies no está sola ni principalmente en el tamaño del cerebro sino en el mayor número de conexiones y en las áreas que estas enlazan. Dos son las líneas de investigación que se siguen: la microscópica cuyo mayor exponente es el proyecto "Blue Brain" y la macroscópica encabezada por el proyecto "Human Connectome"
Javier DeFelipe, uno de los investigadores españoles de más renombre internacional comenzó por exponer el legado de Cajal que da nombre de pila al proyecto "Cajal Blue Brain". Explicó el detalle de las espinas dendríticas, la dificultad de su observación con el microscopio, mostró con orgullo imágenes de su nuevo microscopio Zeiss (herramienta esencial que le sirve al igual que a Cajal para desarrollar su investigación) y nos enseñó la imagen de un cubo tridimensional perteneciente a una microcolumna neocortical con sus neuronas, axones, dendritas y sinapsis.
José María Peña nos contó qué hace un ingeniero informático en biomedicina. Explicó que las áreas de colaboración son 3: proporcionar equipamiento, analizar y modelizar los datos y realizar simulaciones. Detalló el funcionamiento del microscopio y el programa Espina desarrollado para interpretar sus datos (en esencia, el microscopio toma una fotografía y después corta la superficie, toma otra fotografía y corta... y va pasando estas fotos a programa que reconstruye una imagen 3D). Como anécdota recordó que el éxito de un proyecto interdisciplinar consiste en poder tomarte un café con el informático o el neurocientífico y comentar los temas en contraposición a edificios o ciudades separadas y conferencias mensuales que dificultan enormemente la compartición de ideas.
Después de un vino y visita a las instalaciones, Fernando Maestú (CTB y UCM) habló de su trabajo puntero en magnetoencefalografía. Aparte de otras muchas aplicaciones, en la actualidad trabajan en la detección precoz del Alzheimer. En resumen, las conexiones empeoran, el cerebro se esfuerza más para suplir el defecto y la magnetoencefalografía puede captarlo antes de que aparezcan los primeros síntomas cognitivos claros.
Tuvimos finalmente un sabroso debate en el que se plantearon nuevos senderos y que da una medida la buena salud que muestra el estudio computacional del cerebro.

miércoles, 27 de octubre de 2010

Entrevista a José Antonio López García. Universidad, dolor e investigación en laboratorio

José Antonio López García es biólogo, doctor en psicología y profesor de fisiología de la Universidad de Alcalá de Henares. Es además entrañable amigo desde los tiempos del colegio. En esta entrevista habla sobre sus comienzos en Inglaterra y el estado de la universidad. Desmenuza el dolor y los mecanismos que lo producen. También nos muestra su laboratorio de investigación.

domingo, 4 de julio de 2010

Modulación del dolor. Cambios en la excitabilidad neuronal.

José A. López-García e Iván Rivera-Arconada del departamento de Fisiología de  la Universidad de Alcalá de Henares han publicado un artículo en The Journal of Neuroscience sobre la modulación del dolor en la médula espinal.
El dolor es una respuesta adaptativa. Evitamos y huimos de lo que nos duele. Si nos herimos la mano trataremos de protegerla de cualquier roce. Esto es una ventaja. Si el dolor es excesivo (se hace crónico), deja de ser adaptativo. Es el caso de múltiples enfermedades (por ejemplo la neuropatía post-herpetica) donde pasa a ser una desventaja llegando a ser el gran problema.
El sistema nervioso es una gran orquesta donde se busca el equilibrio homeostático. Múltiples factores se conjugan, unos aumentando la excitabilidad y otros la inhibición, para conseguir una respuesta equilibrada. Y adaptada al medio, unas veces reaccionado con fuerza frente a los estímulos y otras inhibiendo la respuesta. El estrés, por ejemplo, es analgésico. Si me juego la vida no siento el dolor. Existe un mecanismo que inhibe el dolor en una situación de peligro. Por el contrario, cuando este ha pasado, llega el momento de reposar y curarse. Las heridas duelen mientras no han sanado.
Las heridas duelen. Incluso cuando no son estimuladas directamente. La sensación de dolor tras el daño en la piel se produce por un proceso de sensibilización por el cual las señales procedentes de la zona dañada se amplifican exageradamente. Para que el sistema no se descompense, el cerebro emite órdenes inhibidoras descendentes que tienden a suprimir el dolor.  Los mecanismos celulares que gobiernan el proceso de sensibilización son en esencia similares a los de la memoria.
Una lesión periférica causa el bombardeo de la médula espinal por señales de dolor. Como consecuencia la médula se sensibiliza. La sensibilización se produce por cambios plásticos que tienden a aumentar la excitabilidad del sistema. Varios elementos podrían causar la sensibilización: procesos de modulación de sinapsis, receptores de membrana, canales iónicos o procesos de transcripción. Resumiéndolos en dos, o bien cada neurona es más excitable o bien la transmisión entre neuronas (fuerza sináptica) aumenta o ocurren ambos a la vez.
Los investigadores se sorprendieron al comprobar que en una médula sensibilizada, es decir, aquella en la que las relaciones input / output se encuentran incrementadas, uno de los dos componentes (recordemos: la excitabilidad de cada célula o la fortaleza de las sinapsis) disminuye su acción. Comprobaron en concreto que pasadas 20 horas del comienzo de la inflamación la excitabilidad de cada célula tiende a disminuir. Realizaron dos experimentos adicionales. En el primero de ellos, en lugar de producir inflamación, administraron NMDA, que potencia la transmisión sináptica y vieron que las neuronas también en este caso disminuían su excitabilidad. En el segundo experimento midieron la excitabilidad neuronal a las 4 horas de la inflamación y comprobaron que había aumentado considerablemente. Adicionalmente comprobaron que las corrientes iónicas de potasio (sólo unas de las involucradas en la excitabilidad de la membrana neuronal) cambiaban correlativamente con la excitabilidad.
La conclusión es que la excitabilidad de las neuronas de la médula espinal aumenta después de la inflamación contribuyendo a que la sensibilización comience rápidamente. Sin embargo la excitabilidad neuronal disminuye unas 20 horas después de la lesión contrarrestando parcialmente aumentos en la fuerza sináptica. El sistema 'nociceptivo' está más excitable, pero bajo control homeostático.