Conectoma (I): El cerebro

El neurocientífico del MIT, Sebastian Seung, ha publicado el libro My connectome, myself en el que describe la importancia de la conectividad neuronal y es continuación de la charla TED subtitulada al español Yo soy mi conectoma.

El cerebro es una de las estructuras más complejas del universo. Una estructura de grandes números (aunque estos números parecen más un dogma que una realidad comprobada). La cantidad de neuronas es de:

Cien mil millones = 100.000.000.000 = 10^11

y la de sinapsis es de:

Cien billones = 100.000.000.000.000 = 10^14

El cerebro contiene más neuronas que estrellas hay en la Vía Láctea. Con los medios actuales puede llevar años rastrear las ramas y sinapsis de una sola neurona. En comparación, los científicos que secuenciaron el ADN solo tuvieron que mapear tres mil millones de bases. Según Seung:

Hay un millón de veces más conexiones en el cerebro que letras tiene el genoma
Claramente, los genes son muy importantes, pero dado que no cambian después de la concepción, no pueden tener en cuenta los efectos de la experiencia.

Niveles de organización cerebral

Podemos dividir el cerebro en distintos niveles de organización:

• molecular / genético
• celular
• columna neocortical
• áreas cerebrales
• sistemas
• cerebro
• conducta

La investigación en biología molecular y genética relacionada con el cerebro es muy vigorosa. Múltiples revistas están dedicadas a este área. Tiene el respaldo de las compañías farmacéuticas que elaboran productos basados en estas investigaciones.
Los estudios sobre la neurona comenzaron con Santiago Ramón y Cajal y su brillante obra. La neurona es fácil de definir y acotar y hoy tenemos un conocimiento muy avanzado sobre ella.
Si penetramos la corteza cerebral de fuera hacia dentro con un electrodo, registraremos una columna de unos 2mm de alto y 0,5mm de diámetro que contiene unas 10.000 neuronas que responden a un mismo estímulo sensorial (por ejemplo un leve pinchazo en la piel). Es una columna neocortical. Tiene 6 capas y su estructura es la misma en todos los mamíferos. La mayor complejidad del cerebro humano consiste en que hay más columnas que en otros mamíferos, no en que estas sean diferentes.
Las columnas se relacionan con columnas adyacentes que procesan información semejante (por ejemplo información táctil). En conjunto estas agrupaciones forma áreas que Brodman definió hace 1 siglo. Las áreas a su vez se relacionan entre sí estableciendo sistemas como el sistema visual, auditivo… Estas relaciones pueden denominarse también redes neuronales.
El conjunto de áreas y sistemas forman el cerebro, entidad bien delimitada. Por último, pero no menos importante está la conducta, a menudo olvidada, pero la gran protagonista de nuestra vida y de la relación con nuestros semejantes.

Conectoma

El nivel sobre el que existe mayor desconocimiento es el de las redes o la conectividad. La inmensa red neuronal no es casual. Cada una de las sinapsis importa y nos hace ser como somos. Por ello Seung afirma: “soy mi conectoma”.
Los Institutos Nacionales de la Salud NIH americanos han otorgado subvenciones por un total de 40 millones de dólares durante cinco años para crear un mapa de las conexiones de cerebro humano en alta resolución. Se trata de “un ambicioso esfuerzo para mapear las vías neurales que subyacen al funcionamiento del cerebro humano”.
Una de las subvenciones se destina a escanear con resonancia magnética avanzada, fMRI en reposo y en actividad, DTI y magnetoencelografía a más de 1000 personas incluyendo estudios de gemelos, correlación con pruebas de comportamiento y perfiles genéticos. Los datos serán de libre acceso y permitirán un detallado análisis.
La otra subvención se dedicará a la creación de un escáner de resonancia magnética de última generación de 3T que mejorará la calidad y la resolución espacial de los datos de conectividad del cerebro.
La corteza cerebral contiene la llamada materia gris. Está compuesta por los cuerpos celulares de las neuronas. También contiene las sinapsis que se realizan en dichos cuerpos y en las dendritas. La salida de información se realiza a través de los axones. Estos salen de la corteza y se agrupan en fibras de millones de axones que conectan unas partes del cerebro con otras. Estas fibras axónicas constituyen la materia blanca.
Anatómicamente es posible seguir las fibras de axones y observar sus conexiones a simple vista. Pero a una resolución muy baja. Además las fibras se superponen unas a otras en tres dimensiones formando un enmarañado ovillo. La autoradiografía histológica permite teñir y seguir una fibra concreta. Siempre en análisis post mortem. En ambos casos el análisis es laborioso y limitado.
La resonancia magnética ha cambiado el panorama. Una técnica adicional llamada DTI (Diffusion tensor imaging) permite descubrir la materia blanca, las fibras axónicas. El agua difunde por igual en todas direcciones a menos que encuentre una barrera. Las paredes del axón recubiertas de vainas de mielina impiden la difusión del agua de modo que esta difunde en el sentido del axón. La resonancia magnética capta esta difusión del agua y revela el sentido de las fibras axónicas.
El conectoma no es un mapa completo y detallado de sinapsis. Estas están aún a un nivel más bajo. Es más bien un mapa a gran escala. Olaf Sporns bautizó con éxito en 2005 conectoma al mapa de conexiones cerebrales.
El cerebro no es estático y cuenta con 4 mecanismos de cambio en el conectoma, las 4 R’s.

• Reweighting significa cambio en la fuerza de las sinapsis
• Reconnection es la creación y eliminación de sinapsis
• Rewiring es la creación y eliminación de ramas en una neurona
• Regeneration es la creación y eliminación de neuronas

Con el uso de la resonancia magnética y otras técnicas, los científicos han descubierto una serie de núcleos cerebrales por los que pasan la mayoría de las señales nerviosas. Serían responsables de la red neuronal por defecto (cuando dejamos vagar la mente) o la mismísima conciencia. Estos núcleos centrales están organizados en algo parecido a un diagrama de las rutas aéreas mundiales.

 El conectoma tiene también sus críticas. Christof Koch, uno de los teóricos más influyentes en la neurociencia computacional y estudioso de la conciencia, soporta la idea de que la esencia de la mente descansa sobre las conexiones neuronales, pero advierte contra la simplificación:

… Seung, por ejemplo, llama al autismo y a la esquizofrenia “conectopatías”, enfermedades en las que que cableado del cerebro es anómalo. Pero hay muchas más cosas erróneas en el cerebro además de la conectividad. Fallos en la transmisión sináptica y en los procesos en las neuronas y en las células de glía que las soportan están implicados en la enfermedad mental. Las neuronas son dispositivos complejos con elaboradas estructuras de entrada que exhiben un procesamiento sofisticado, no linear y dependiente del tiempo.

Hay otro caso muy llamativo. Es el del gusano C. elegans. Es el sistema nervioso más simple que existe. Tiene 302 neuronas. Conocemos su conectividad, todas sus sinapsis, desde 1986. Sin embargo, no existe aún un modelo que explique el comportamiento de c. elegans. El conocimiento del conectoma es condición necesaria pero no suficiente para explicar la conducta.

Artículo publicado originalmente en ALT1040

El universo es relativista y cuántico pero nuestro cerebro es newtoniano

Vivimos en un universo relativista y cuántico que comprendemos con dificultad a pesar de que según revela un estudio de la Universidad de Missouri los niños vienen al mundo con conocimiento intuitivo de la física.

El cerebro newtoniano

La literatura científica revisada por el estudio indica que la física intuitiva ocurre desde los dos meses, la edad mínima en la que se pueden hacer test. A esa edad los bebés muestran una comprensión de que los objetos que no se sujetan caen y de que las cosas que se ocultan no dejan de existir. A los 5 meses tienen la expectativa de que las sustancias no cohesivas como la arena o el agua no son sólidas. Y a los 10 meses eligen de entre dos grupos, aquel que tiene más comida.

Creemos que los niños nacen con expectativas acerca de los objetos que les rodean, a pesar de que ese conocimiento es una habilidad que nunca se les ha enseñado. A medida que el niño se desarrolla, este conocimiento se va refinando y, finalmente, conduce a las habilidades que utilizamos como adultos.

La metodología se basa en la mirada de los infantes. Se les presentan situaciones esperadas y no esperadas. Por ejemplo, un objeto se detiene ante una barrera o no lo hace. Sistemáticamente los bebés miran durante más tiempo la situación inesperada; en el ejemplo el objeto que atraviesa la barrera. El estudio se centra en los objetos, las sustancias, la continuidad, la cohesión y los cambios de propiedades.

Estas expectativas no son exclusivamente humanas sino que parecen compartidas con muchas otras especies desde primates no humanos hasta pollos.

Nuestra experiencia nos indica que tenemos un conocimiento inconsciente muy desarrollado de las leyes físicas del mundo en que vivimos. Un ejemplo evidente es el movimiento de los cuerpos. Aplicamos la fórmula tiempo=espacio/velocidad de forma sistemática. En un instante calculamos la velocidad a la que se acerca un coche, el espacio que nos separa de él y el tiempo que transcurrirá hasta que llegue a nosotros. Basado en ello cruzamos la calle o esperamos. El águila que se cierne sobre el conejo realiza esos cálculos así como el mismo conejo.

Lo mismo ocurre con otras propiedades físicas. Estimamos si podemos levantar un objeto solo con verlo. Sabemos si un objeto cabe o no en una caja. Sabemos que una comida caliente cederá calor al aire y esperamos a que se enfríe. No pretendemos mover una pared pero sí un carro del supermercado. Es la física inconsciente. Es el cerebro newtoniano.

Aún así, otros conceptos se nos hacen más esquivos. Galileo demostró que la tierra atrae con la misma gravedad un grano de arroz que una bola de acero. Esto ya no es tan evidente. Y si pasamos al electromagnetismo, algo que rara vez vemos en la naturaleza, la intuición ya no sirve. De hecho necesitamos analogías para entenderlo: la diferencia de potencial eléctrico es similar a la diferencia de altura de dos objetos.

El universo relativista y cuántico es inconcebible

Lo que sigue a continuación es una mera opinión. Y empezaré con una confesión. Leí la Breve Historia del Tiempo de Stephen Hawking con deleite. Apenas comenzado encontré un razonamiento que no entendí. Lo volví a leer con el mismo resultado y tomé una decisión: si no entendía algo seguiría leyendo sin detenerme. Todos los capítulos empezaban bien y acababan en un razonamiento que no comprendía. Hace poco leí la Brevísima Historia del Tiempo. Entendí aún menos, me pareció un relato fantástico y si algún capítulo hubiera sido inventado no lo hubiera descubierto. No se me entienda mal, no le quito un ápice de credibilidad. Es solo que no lo entiendo y no me siento orgulloso de ello. Acepto, eso sí, las conclusiones como resultados de la aplicación del método científico realizado por personas con la autoridad suficiente como para fiarme de ellas.

Hay al menos tres modos de comprender la física: mediante los procesos sensoriomotores inconscientes, mediante la representación mental y mediante el razonamiento lógico-matemático.

Los efectos de la teoría de la relatividad y de la mecánica cuántica son inapreciables para nuestro cerebro a las velocidades mucho más pequeñas que la velocidad de la luz y en magnitudes mucho mayores que el electrón en que nos movemos. Para nuestra vivencia el mundo es newtoniano y nuestras sensaciones y respuestas motoras también lo son.

Nuestra forma de representación del mundo tiene un fuerte componente visual aunque también se basa en conceptos o ideas. El mundo relativista y cuántico no encaja en nuestra forma de representar la realidad. No lo podemos representar o imaginar. Es inconcebible y anti-intuitivo. Esto conduce a las frecuentemente señaladas paradojas de ambas teorías. De la teoría de la relatividad se desprende que a una determinada velocidad:

• El tiempo transcurre más despacio
• La masa se incrementa
• El tamaño disminuye
• La gravedad aumenta

¿Podemos concebir una masa infinita en un espacio ínfimo? ¿Cabe en nuestras cabezas que el tiempo se detenga? ¿Es posible pensar que el tiempo no haya existido siempre? Y las consecuencias anti-intuitivas continúan. Ningún objeto puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Al la velocidad de la luz las velocidades no se suman. Más incomprensible si cabe: dos sucesos simultáneos para un observador no lo son para otro observador distinto. La masa puede transformarse en energía y viceversa. El espacio y el tiempo forman parte de un sistema cuatrimensional.

¿Y qué decir de la mecánica cuántica? Es imaginable que las ondas y las partículas son dos caras del mismo fenómeno o que no podemos determinar a la vez la posición y la velocidad de una partícula?

Incluso los conceptos mismos de infinito y átomo son paradójicos y propios de la metafísica. Porque si el universo es finito ¿qué hay cuando llegamos al final? O ¿cómo podemos concebir el infinito? Y ¿no debería ser posible dividir cada partícula más allá del átomo? ¿Hasta lo infinitamente pequeño?

Según el excelente blog de física, El Tamiz

Conozco muy poca gente que realmente entienda la relatividad general en todos sus detalles. Y, francamente, no conozco a nadie vivo que realmente entienda la mecánica cuántica moderna de verdad. Desde luego, yo personalmente no entiendo ninguna de las dos.

Aunque aclara:

mi definición de entender algo es bastante exigente – algo sí que sé de ambas teorías, pero decir que se entiende una teoría física tiene mucha tela.

Como dice Richard Feynman, Premio Nobel y uno de los mejores divulgadores de física:

Creo que puedo decir que nadie comprende la física cuántica.

Las teorías físicas no son solo un conjunto de ideas afortunadas. Están sostenidas por un sofisticado razonamiento lógico-matemático y comprobadas por la experimentación. Pero entenderlas matemáticamente es un camino que la mayoría no estamos dispuestos a recorrer. El propio Hawking no nos anima a ello. Como dice en su libro, los editores le advirtieron que por cada fórmula matemática que escribiera perdería la mitad de sus lectores.

Pero quizá ni siquiera las matemáticas nos ayuden. Según John Von Neumann, uno de los padres de la computación:

Las ciencias no tratan de explicar, incluso apenas tratan de interpretar, construyen modelos principalmente. Por modelo, se entiende una construcción matemática que, con la adición de ciertas interpretaciones verbales, describe los fenómenos observados. La justificación de tal construcción matemática es sólo y precisamente que se espera que funcione.

Espero haberte consolado si no comprendes bien el universo en el que vivimos. Por mi parte seguiré leyendo libros de divulgación física. Aunque no los entienda.

Artículo publicado originalmente en ALT1040

Cuando las mujeres escasean, los hombres gastan más dinero

En el estudio Las consecuencias financieras de haber demasiados hombres se pone de manifiesto como el comportamiento económico de los hombres puede verse influido por una variable no estudiada hasta el momento: la falta de mujeres. El deseo biológico de buscar pareja modifica la conducta financiera de los hombres.

Lo que se puede ver en otros animales es que cuando las hembras escasean, los machos se vuelven más competitivos. Compiten más para acceder a una pareja.
¿Cómo competimos los humanos para conseguir pareja? Lo que encontramos en distintas culturas es que los hombres a menudo lo hacen a través del dinero, del estatus y de objetos.

En un experimento, los participantes leyeron artículos de una geografía en la que se describía una población con más hombres o con más mujeres. Después se les preguntaba cuanto dinero ahorrarían o pedirían prestado al mes si vivieran en esa zona. Cuando los hombres creían que escaseaban las mujeres, ahorraron un 42% menos y pidieron prestado un 84% más.

En el segundo experimento vieron una secuencia de fotos de hombres y mujeres y después se les pidió que escogieran entre recibir 20$ mañana o 30$ dentro de un mes. Cuando había menos mujeres en la secuencia de fotos, los hombres prefirieron el dinero inmediato.

Aunque la proporción de hombres y mujeres no altera el comportamiento económico de las mujeres, cambia las expectativas de estas y se vuelven más exigentes. Después de leer que hay más hombres, las mujeres esperan que los hombres gasten más dinero en una cena, un regalo de san Valentín o un anillo de compromiso.

Cuando hay escasez de mujeres, estas sienten que los hombres deben cambiar su forma de cortejarlas.
La economía nos dice que los seres humanos tomamos decisiones pensando cuidadosamente en las distintas opciones, que no somos animales. Resulta que tenemos mucho en común con otros animales. Algunos de nuestros comportamientos son mucho más reactivos e inconscientes. Vemos que hay más hombres que mujeres en nuestro entorno y cambiamos automáticamente nuestros deseos, nuestra conducta y nuestra psicología entera.

Además de realizar el estudio, los investigadores revisaron documentos sobre 120 ciudades de EE.UU. que resultaron consistentes son sus hipótesis. En ciudades con más solteros, la proporción de tarjetas de crédito era mayor y tenían unos niveles de deuda superiores. En dos ciudades separadas por 100 millas, la diferencia era palpable. Una tenía una tasa de 1.18 hombres por cada mujer frente a 0,78 de la otra ciudad. La deuda media de un consumidor de la primera era 3.479$ mayor.

Una de las problemáticas implicaciones de la desproporción de sexos para el mundo en general es que se trata de algo más que de dinero. Se trata también de violencia y supervivencia.

Como saben los buenos especialistas, en economía el comportamiento humano no es lógico. Es psicológico.

Artículo publicado originalmente en ALT1040

El médico en el bolsillo, hacia una nueva medicina

Internet ha cambiado el mundo. La forma de relacionarnos, el modo de comprar, la forma en que operan muchos negocio y nuestro ocio. La práctica médica será distinta debido a las gigantescas bases de datos médicas y a las nuevas aplicaciones de los smartphones.

El futuro va a estar dominado por dos tecnologías emergentes: poderosos ordenadores remotos que analizan en segundos millones de datos provenientes de un sinfin de personas y sensores y amigables interfaces instalados en nuestros smartphones. Mientras, la medicina parece sumida en unas prácticas más propias del antiguo siglo. Pero todo indica que esta situación va a cambiar.

El problema

Piensa en lo que ocurre cuando visitas al doctor. Aguardas un buen rato en la sala de espera hasta que te recibe. Saca (si lo tiene) tu historial médico. Lee lo que antes él haya podido escribir. Revisa los resultados analíticos y pruebas de imagen (si las tiene). Te pregunta qué te pasa. Quizá te examine. Hace una presunción de tu enfermedad. Quizá te pida nuevas pruebas (y el ciclo se repite). Te prescribe tratamiento y te despide. Si no vuelves, asume que te has curado. La media en España es 10 minutos por paciente.
¿Qué problemas tiene este proceder?

• Hay que ir físicamente al doctor. Esto tiene sentido para la exploración que es visual y auditiva. Pero ir al médico lleva tiempo y en muchos casos el paciente retrasa la decisión de acudir al médico.
• El paciente sin formación medica decide cuando ir y cuando no ir al médico.
• Es el paciente el que dice sus síntomas al médico.
• Las pruebas se realizan cuando estás enfermo. No hay hay mediciones cuando estás sano.
• Muchas de las pruebas pueden hacerse rutinariamente en casa con la ayuda de un equipo mínimo y un smartphone: tensión sanguínea, pulso…
• El doctor pregunta cada vez por la historia de los síntomas y los resultados de las pruebas.
• El desaprovechamiento de recursos humanos y materiales es ingente.

A esto hay que añadir la fragilidad de la memoria humana. Los médicos no pueden recordar todos los datos de los pacientes y puede que los apunten o puede que no. Ni siquiera el paciente puede hacerlo. Los médicos además no pueden recordar todo lo que han estudiado ni conocer las interrelaciones entre los tratamientos. Y menos aún cuando nos acercamos a la medicina personalizada. Es seguro incluso que el libro que lee esté ya obsoleto.

Historial médico electrónico

El primer paso para solucionar esto es el historial médico electrónico. Es cada vez más popular pero dista de estar implantado en todas las organizaciones sanitarias.
Los datos de todos los pacientes son almacenados centralizadamente de modo que el paciente y el médico puedan consultarlos en cualquier momento y en cualquier lugar. Este es el caso cuando una persona es atendida por otro médico o ingresa por primera vez en un nuevo hospital. Salvaguardando por supuesto la confidencialidad. No solo los datos puntuales de una prueba diagnóstica sino el registro completo de cuando se encuentra mal y también de cuando está bien. Y estos datos centralizados pueden ser usados para realizar reveladoras estadísticas que hoy son imposibles.

Doctor Watson

Watson es el ordenador de IBM que ganó en el concurso de televisión Jeopardy. WellPoint, la mayor aseguradora de salud de EE.UU. con 34 millones de afiliados, ha contratado los servicios de Watson. Las capacidades de Watson encajan perfectamente con el diagnóstico médico:

• Maneja el lenguaje natural
• Consulta millones de documentos de texto no estructurado, imágenes, audio y vídeo en segundos
• Formula hipótesis que traduce en un ranking de respuestas
• Asigna un nivel de confianza a cada respuesta
• Presenta evidencias para cada respuesta
• Aprende y está al día

Además del diagnóstico, sistemas de este tipo sirven para realizar gigantescos análisis de datos. Partiendo de millones de historias médicas electrónicas pueden extraer datos y convertir la información en conocimiento descubriendo patrones desconocidos.
Uno de los problemas que presenta trabajar con humanos es la ambigüedad: “no me encuentro muy bien” “no sé que me pasa”. También es un problema la calidad de los datos como saben muchas empresas que tienen en sus ficheros registros duplicados y en general datos de baja calidad. Pero una característica de Watson es que se mueve en la ambigüedad, no busca la respuesta sino una buena respuesta.
A lo anterior hay que añadir la capacidad de realizar una medicina personalizada basada en los datos del genoma y el proteoma del paciente, lo que difícilmente puede hacerse sin la ayuda de un ordenador. Esto no está tan lejos ya que una empresa ha anunciado que puede secuenciar el genoma de un individuo por tan solo 1000 dólares.

El doctor en el bolsillo

Probablemente no será necesario acudir a una consulta para realizar la mayoría de las pruebas diagnósticas más comunes. Los signos vitales podrán registrarse con ayuda de aparatos caseros conectados a smartphones sin necesidad de ser médico o enfermero ni pasar por la Universidad. La tienda de aplicaciones de iPhone dispone de medio centenar de aplicaciones que irá creciendo. Algunas son simples juguetes pero otras son muy serias. Una de ellas puede detectar cáncer de piel usando la cámara del iPhone. Ya disponemos de medidores de tensión caseros y estos periféricos aumentarán y se conectarán a los smartphones para medir el pulso, la respiración, y algunos análisis de sangre, orina o saliva. Según IDC el 14% de la población americana usa sus smartphones para ayuda médica y 200 millones de aplicaciones médicas han sido descargadas.
Estos gadgets médicos se conectarán con las grandes bases de datos para recibir asesoramiento personalizado para nuestra salud. El consorcio de salud Kaiser Permanente tiene ya 10 millones de registros médicos con detalles de 30 millones de visitas virtuales.
Quizá se trate de una pulsera que mida mis ritmos de sueño vigilia, mi actividad deportiva, mi adicción al tabaco o mis niveles hormonales. Puede que mida las sustancias alergénicas en el aire y las cruce con mi genoma para avisarme del riesgo. Quizá no sirva solo para detectar problemas médicos sino para orientar mejor una vida normal. Puede medir mi sudoración y decirme si me pongo nervioso delante de una chica o mi jefe, o si balbuceo o mi voz es firme. Y el catálogo es inacabable.
¿Y cómo será el caso de las poblaciones subdesarrolladas con un médico por más de cada 100.000 habitantes que se encuentra a 50 km?
Internet está cambiando nuestras vidas y pronto va a cambiar el mundo de la medicina.

Artículo publicado originalmente en ALT1040