Francis en ¡Eureka!: Dos mil millones de euros al estudio del cerebro y del grafeno

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Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue estos enlaces si te apetece escuchar el audio del programa completo (mi sección empieza a las 02:05:00), o sólo el audio de mi sección. Como siempre una transcripción libre del contenido.

La Unión Europea ha decidido invertir dos mil millones de euros en dos proyecto durante diez años, uso sobre el cerebro y el otro sobre el grafeno, ¿en qué consiste esta convocatoria  de proyectos de investigación tan especial? La Unión Europea financia proyectos de investigación gracias a los llamados Programas Marco. El actual es el séptimo programa marco (7PM) desde 2007 hasta 2013. El próximo será el octavo programa marco (8PM) desde 2014 hasta 2020. La mayoría de los proyectos que se financian en los programas marco tienen una duración de tres o cuatro años, e involucran a muchos grupos de investigación de diferentes países. Pero cuando finalizan estos proyectos, los grupos que colaboran entre sí se disgregan. Para afianzar colaboraciones a largo plazo, la Unión Europea decidió crear una iniciativa de proyectos financiados durante diez años. La iniciativa se llama Proyectos Bandera en Tecnologías Futuras y Emergentes. Se presentaron 21 proyectos en el año 2010, de los que se eligieron 6 finalistas que en 2011 recibieron un millón y medio de euros durante un año para elaborar la propuesta definitiva para octubre de 2012. El pasado 28 enero se anunciaron los dos proyectos “bandera” ganadores cada uno de mil millones de euros: Graphene, que pretende estudiar las aplicaciones del grafeno, y Human Brain Project (el Proyecto Encéfalo Humano), que pretende simular el encéfalo mediante ordenador.

Estos proyectos deben ser muy grandes y deben involucrar a muchos grupos de investigación, porque cien millones de euros al año durante diez años es mucho dinero. Los dos proyectos son enormes. El proyecto “Graphene” está liderado por Jari Kinaret (Universidad Técnica de Chalmers, Suecia) quien coordina a 126 grupos académicos e industriales de 17 países europeos. El proyecto “Human Brain Project” está liderado por Henry Markram (Escuela Politécnica de Lausana, Suiza) quien coordina a 87 grupos de investigación en 23 países (16 de ellos europeos). Realmente se trata de proyectos a gran escala. La colaboración de España en ambos proyectos está liderada por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC): Francisco Guinea para el proyecto Grafeno y Javier de Felipe para el del Encéfalo (proyecto en el que participan 25 grupos de investigación españoles).

El más interesante de los dos parece el proyecto sobre el cerebro. ¿Cuáles son sus objetivos? Entender el cerebro y el encéfalo en su conjunto es uno de los grandes retos para la ciencia en el siglo XXI. El proyecto se divide en seis frentes de investigación: neuroinformática, simulación del encéfalo, computación de alto rendimiento, informática médica, neuromórfica y neurorobótica. Los resultados que se obtengan están dirigidos a neurólogos, médicos, investigadores y tecnólogos especialistas en neurociencias. El Proyecto Encéfalo Humano mejorará todo nuestro conocimiento sobre el encéfalo gracias a la integración de datos experimentales y simulaciones mediante superordenadores.

El proyecto propone estudiar el encéfalo en su conjunto, siendo el cerebro su parte más voluminosa, ¿por qué estudiar el encéfalo completo y no sólo el cerebro? El cerebro parece grande, por su volumen, pero en número de neuronas es una parte pequeña de todo el encéfalo. El encéfalo forma parte del sistema nervioso central junto a la médula espinal; el sistema nervioso periférico está compuesto por los nervios que conectan todo el organismo con la parte central. El encéfalo es todo lo que tenemos dentro del cráneo, el cerebro, el cerebelo, el tálamo y el tronco del encéfalo. En el encéfalo hay unas 86.000 millones de neuronas, la mayoría están en el cerebelo (unas 70.000 millones); en el cerebro sólo hay unas 15.000 millones. Los estudios más recientes nos indican que el cerebro es lo que más abulta, pero no la parte que más neuronas tiene. Junto a las neuronas, en el encéfalo también hay células de la glía, unas 85.000 millones de células gliales. Estas células protegen a las neuronas de sustancias químicas externas y producen la mielina que actúa como aislante eléctrica para facilitar la transmisión de las señales eléctricas entre neuronas.

El cerebro es la máquina más complicada que ha estudiado el hombre. ¿Por qué es tan complicado? Porque hay 86.000 millones de neuronas que se comunican entre sí por medio de unos 500 billones de sinapsis. El encéfalo es la estructura más complicada que la ciencia estudia. Cada neurona tiene un cuerpo (soma), un único axón (que usa para enviar información) y un gran número de dendritas o prolongaciones del cuerpo (que usa para recibir información). Las neuronas se comunican entre sí enviando impulsos eléctricos a través del axón y enviando y recibiendo neurotransmisores en las sinapsis que ocurren en las dendritas. Se calcula que cada neurona recibe información a través de unas 10.000 sinapsis y envía información a través de unas 1.000. En el cerebelo hay neuronas con hasta 200.000 conexiones de entrada. Las neuronas se comunican mediante señales eléctricas (potenciales de acción) y químicas (potenciales de sinapsis).

La consciencia y el “yo” emergen de la actividad eléctrica del encéfalo. ¿En qué consiste esta actividad eléctrica? Mi amigo Xurxo Mariño, neurocientífico gallego y gran divulgador, afirma que cada neurona es como una batería. En tu cabeza hay unas 86 000 millones de pequeñas baterías cargadas con unos 70 milivoltios. Esta electricidad proviene del movimiento de iones de sodio y potasio con carga positiva. La membrana de las neuronas tienen bombas de Na/K que se abren y cierran a toda velocidad dejando pasar iones de un lado a otro de la membrana, produciendo una diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana (hay más iones de sodio en la cara exterior de la membrana que en la interior y a la inversa, más iones de potasio en la interior que en la exterior. Cuando la neurona se descarga a través del axón, esta diferencia de potencial se mueve como un impulso eléctrico (el llamado potencial de acción). Al final del axón hay una o varias sinapsis y en cada una de ellas la señal eléctrica se convierte en una señal química, un neurotransmisor. Cada neurona se comunica con las demás con algo parecido al código Morse, con pitidos y silencios: bip bip  … bip bip bip … bip … bip bip… Este movimiento de impulsos eléctricos en el encéfalo consume mucha energía, del orden del 20% de toda la energía de los alimentos.

La señal eléctrica se convierte en señal química, los neurotransmisores como la adrenalina que se intercambian entre las neuronas. ¿Cómo ocurre esta conversión? El potencial de acción (el impulso eléctrico) al llegar al final de los axones provoca la apertura de los canales de calcio, que hacen que el calcio entre en la neurona y se libera el neurotransmisor al espacio sináptico. Este proceso se llama sinapsis química y es el medio en el que se comunican entre sí casi todas las neuronas. La neuronas tienen receptores específicos para cada uno de los neurotransmisores que reciben de otras neuronas, como la adrenalina, el glutamato, la dopamina, la serotonina, entre otros muchos. Estos neurotransmisores regulan la agresividad, la sexualidad, el humor, el sueño, y muchos otras funciones cognitivas. Los neurotransmisores son de dos tipos, los excitadores, que al acumularse en suficiente cantidad hacen que la neurona receptora genere nuevos potenciales de acción, y los inhibidores que realizan lo contrario.

Funciones cognitivas superiores como la consciencia y el yo son resultado de la actividad de las neuronas. El Proyecto Encéfalo Humano pretende descubrir cómo ocurre este proceso. ¿Algún día habrá un ordenador consciente de su propio yo? Los neurocientíficos piensan que la mente es producto del encéfalo y que algún día se podrá construir un encéfalo artificial con una inteligencia similar a la mente humana, dotado de sensibilidad, capacidad de emoción y de un “yo” consciente. El problema es que a día de hoy, simular 86.000 millones de neuronas y unas 500 billones de sinapsis está más allá de lo alcanzable con los superordenadores más poderosos del mundo. Muchos expertos creen que en el siglo XXI se logrará hacerlo y los resultados del Proyecto Encéfalo Humano de la Unión Europea podrían ser claves para alcanzar este logro.

¿Qué lugar ocupa el alma en la neurociencia actual? El concepto religioso de alma inmortal es una manera de aludir del “yo” consciente que se remonta a una época en la que no existía la neurociencia. Todos los neurocientíficos actuales consideran que el “yo” es producto de la actividad metabólica y eléctrica del encéfalo y del resto del sistema nervioso. La mente y el encéfalo son la misma cosa. Cuando estamos inconscientes el “yo” no se va a ninguna parte, sencillamente deja de ser generado por la actividad neuronal. Se desvanece. Todas las noches, durante el sueño profundo el “yo” desaparece de manera temporal y vuelve a emerger con rapidez y facilidad al despertar. Pero tu nuevo “yo” no es el mismo que se durmió, hay diferencias y modificaciones sutiles en tu arquitectura neuronal, tan suvaes que tú no las notas y crees que sigues siendo el mismo. Pero tu “yo” se modifica cada día, cada vez que te duermes. Según la neurociencia actual no existe un “yo” eterno.

Lo dicho, sigue estos enlaces si te apetece escuchar el audio del programa completo (mi sección empieza a las 02:05:00), o sólo el audio de mi sección.

11 pensamientos en “Francis en ¡Eureka!: Dos mil millones de euros al estudio del cerebro y del grafeno

  1. Que lo que llamamos consciencia sea una propiedad emergente de la complejidad neuronal es algo más que plausible. También es más que razonable lo que afirmas acerca de la consciencia ligada necesariamente al cerebro: más que en el sueño, basta la experiencia de una operación bajo anestesia total, de la que no se percibe el lapso en absoluto, para confirmarlo.

    Por otra parte no creo que sea necesario simular el tremendo número de neuronas del cerebro humano. Por una parte, porque, si descendemos en la escala evolutiva, en los peldaños más cercanos no creo que estemos autorizados a negar consciencia a los animales superiores, y quién sabe si incluso a los peces. Refiriéndome a mi perra, me siento en condiciones de afirmar que tenía (murió hace una semana, y aún llevo luto por dentro) una clara imagen interior de que a la mitad del paseo matutino debíamos recalar en el bar de siempre donde a ella le servían pechuga de pollo. Y por otra parte, porque recuerdo mi sorpresa cuando en su día programé una red neuronal capaz de aprender el tiro parabólico (por experiencia, la fórmula se mantenía oculta, y de ella solo me servía yo para situar el blanco al azar), y resultó que me bastaba con algo así (ya no recuerdo exactamente) dos neuronas de input (distancia del blanco y ángulo de tiro, por ejemplo), una simple capa intermedia con tres neuronas, y una de output (la velocidad del proyectil). Luego del aprendizaje el porcentaje de aciertos era casi del cien por cien. Estuve pensando en emplear un algoritmo genético para diseñar y optimizar la red, pero nunca lo llevé a cabo. Así pues, si con tan pocos elementos se consigue tanto (el tiro parabólico no es una ley simple, como puede ser una de tipo lineal), pienso que con un conjunto pequeño y de suficiente complejidad cada una, podrían obtenerse resultados sorprendentes.

    No creo que seamos la única maravilla sobre la capa terrestre. Si acaso, es posible que seamos el primer error grave de la madre Naturaleza.

    Gracias por la información.

    • Añado algo, para enfatizar lo que dije acerca de la simplicidad de una red neuronal bastante eficaz. Cada neurona era simplemente una curva de respuesta tipo sigmoide (las neuronas se saturan al aumentar el nivel de la señal de entrada), y el esquema funcionaba en un plano, con cada neurona comunicándose con todas las de la capa próxima mediante una única conexión. Más sencillo imposible. El hecho de que solo (qué tiempos aquéllos, en que se acentuaba ese solo) con ese constructo tan simple se consiguiera tanto es lo que me hace creer que no debiera ser necesario aumentar demasiado la complejidad para obtener propiedades emergentes.

      Me quedé con las ganas de programar algo más parecido a “el mono que aprende una acción para conseguir un plátano”, por ejemplo. Lo digo porque el aprendizaje en mi modelo estaba previsto de antemano. El diseñar la red neuronal presidida por un algoritmo genético podría introducir el aprendizaje relacionado con la búsqueda de un premio, lo que se asemejaría más a los patrones naturales.

      • ” El diseñar la red neuronal presidida por un algoritmo genético podría introducir el aprendizaje relacionado con la búsqueda de un premio,”

        Premio puede ser ganar dinero con trading algoritmico. Me ha parecido interesante lo de las redes neuronales, pero no tengo mucha idea de ese tema. Algoritmos geneticos si utilizo para optimizar sistemas en c#. Si quieres escribeme al email Fer137.gmail.com y charlamos a ver si se puede hacer algo con redes neuronales (ya las hay, pero lo que decias del tiro parabolico tiene miga) o me aconsejas alguna lectura. Ah, y tambien una partida de ajedrez online, que te leí el otro dia algo sobre el tema:) Saludos.

  2. “¿Qué lugar ocupa el alma en la neurociencia actual? El concepto religioso de alma inmortal es una manera de aludir del “yo” consciente que se remonta a una época en la que no existía la neurociencia”.

    No entiendo qué quieres decir. ¿Cómo puede el yo consciente aludir a un ente (el alma) que por definición es inconsciente o irreal o ideal o extramental o extramundana, cualquier cosa menos consciente? Hoy día, incluso con la neurociencia, el alma sigue siendo un ente irreal, más irreal incluso que en el pasado.

    “Cuando estamos inconscientes el “yo” no se va a ninguna parte, sencillamente deja de ser generado por la actividad neuronal. Se desvanece. Todas las noches, durante el sueño profundo el “yo” desaparece de manera temporal y vuelve a emerger con rapidez y facilidad al despertar”.

    Esto me parece contradictorio. Durante una fase del dormir soñamos, y quien sueña es el yo, luego durante una fase del sueño el yo sigue activo. Hay una fase del sueño profundo donde aparentemente el yo desaparece, pero esto no quiere decir que el yo se desvanece, simplemente se pone en modo silencioso. ¿No existe el yo silencioso? ¿El único yo que conoce la ciencia es el ruidoso? Lo que se ha producido es un cambio de fase del yo y nada más.

    hicsuntdraconis, lamento el fallecimiento de tu perra.

    • Artemio, con modo silencioso ¿te refieres tal vez a que durante la fase de sueño profundo las conexiones sinápticas entre neuronas permanecen constantes, o casi constantes, respecto a las que había antes de dormirse? ¿Esas conexiones serían el yo, según tú? Yo pienso que sí: el yo, si queremos definirlo, sería la red de conexiones sinápticas particular de cada uno, y se manifiesta como “yo consciente” cuando se activan esas conexiones.

    • Gracias, Artemio, por tu comprensión. La verdad es que por mucha imaginación que se le ponga, quien no haya compartido años de vida diaria en compañía de un perro, no puede comprender (yo desde luego no había sido capaz de anticiparlo) el duelo que significa su pérdida.

  3. No soy neurólogo y por tanto desconozco los detalles y las sutilezas neuronales. Simplemente quise llamar la atención sobre el énfasis que pone la ciencia en las ondas del yo/cerebro que están por encima de los siete ciclos por segundo, lo que está por debajo o bien no estudia con la misma atención o bien se dice que el yo desaparece. En este sentido, investigar el alma o pronunciarse sobre ella resulta difícil si se hace desde el yo ruidoso. El alma, de existir, hay que buscarla por debajo de los siete ciclos por segundo.

  4. Interesantísimo Francis. Muchas Gracias. Creo que el proyecto del grafeno será exitoso. Sin embargo, como a ti, a mi me interesa mucho más el proyecto del cerebro. Tengo la impresión que la teoría psicoanálitica es en parte correcta. Si así fuera, sería maravilloso comprobar como la segunda tópica de Freud, emerge del estudio de las neuronas y sus conexiones. O en cualquier caso, sería maravilloso poder estudiar el comportamiento humano desde un marco tan científico. Sin tener ninguna evidencia, yo no creo que esto sea posible y apuesto que habrá que superar el método científico o bien buscarle una nueva definición para poder entender al ser humano. Hay que tener en cuenta la cantidad de ciencias que estudian al ser humano, la economía, la historia, la sociología, la psicología, la medicina, la antropología y si ahora metemos la física, la química, la informática y las fusionamos sería como construir toda la filosofía a partir de sus propios hijos. Maravilloso. Ojalá funcione.

  5. Una interpretación radical de la charla de Damasio conduce a un cuerpo sin yo autobiográfico, un yo silencioso y somático donde la actividad de la corteza cerebral es sensorial más que ideacional. Este yo silencioso ha sido postulado por algunos místicos que, de un modo paradójico, hallan dificultad cuando pretenden explicarlo con palabras e ideaciones.

    “Sin tener ninguna evidencia, yo no creo que esto sea posible y apuesto que habrá que superar el método científico o bien buscarle una nueva definición para poder entender al ser humano”.

    El problema no es tanto el método científico como tal sino los sesgos y apriorismos que lo rodean. Por ejemplo, investigar el cerebro y la consciencia sin tener en cuenta las fases silenciosas de la mente conduce a ignorar un aspecto de la psique que se tiene por trivial o ininteligible. El dinero y el esfuerzo dedicados al estudio de la mente no deben ceñirse a los caminos trillados, habría que ser imaginativos y estudiar las capacidades mentales del organismo, sin dañarlo, y sin introducir sesgos dogmáticos. Respecto del aspecto ético de esas investigaciones conviene desmarcarlas de aplicaciones militaristas y belicosas, la comunidad científica internacional debe ser honesta y firmar un protocolo vinculante que prohíba las prácticas dañinas para personas, grupos y naciones. El manejo del método científico nos da una idea de la creatividad y honestidad de la cultura humana que lo desarrolla.

  6. Estimado:

    Sigo tu blog con bastante entusiasmo e interés desde hace un par de años.

    Una corrección importante :

    En tu comentario sobre estos megaproyectos europeos citas parte de un texto de Xurxo Mariño que tú mismo comentaste hace unos días con un par de cambios. Dices: “Esta electricidad proviene del movimiento de iones de sodio y potasio con carga positiva. La membrana de las neuronas tienen bombas de Na/K que se abren y cierran a toda velocidad dejando pasar iones de un lado a otro de la membrana, produciendo una diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana (hay más iones de sodio en la cara exterior de la membrana que en la interior y a la inversa, más iones de potasio en la interior que en la exterior”….

    Es efectiva la presencia de bombas de Na/K dependientes del consumo de ATP en la membrana celular y que ellas ayudan a mantener la asimetría de las concentraciones de Na y K a ambos lados de la membrana (alrededor de 140 mM Na afuera vs 10 mM en el interior; el K al revés). Pero las bombas, que son muchas por micrón cuadrado de membrana, funcionan lentamente y en el mediano plazo. Las señales rápidas (potenciales de acción) son causadas por la activación de CANALES de sodio y de potasio, selectivos para cada ión y dependientes fuertemente de la diferencia de voltaje transmembrana que las bombas de Na/K ayudan a mantener. Canales de iones y bombas son proteinas integrales de membrana diferentes en estructura y función.

    Xurxo Mariño llama “compuertas” a esos canales de iones. Las bombas funcionan en contra del gradiente de concentración del ión respectivo. Los canales iónicos al abrirse, permiten un flujo “pasivo” de los iones que “sigue” al gradiente electroquímico.preestablecido.

    La confusión entre bombas y canales iónicos (o canales de iones) se arrastra desde los textos escolares en Chile y se traspasa a lo que enseñan los profesores de ciencias de las escuelas secundarias que luego debemos corregir.

    Un abrazo y felicitaciones

    Benjamín Suárez
    Facultad de Medicina
    Instituto de Ciencias Biomédicas
    Universidad de Chile

    De Xurxo Mariño (posting anterior)

    “En tu cabeza hay unos 86 000 millones de pequeñas baterías cargadas con unos 70 mV (milivoltios). Hay más iones de sodio (Na+) en la cara exterior de la membrana plasmática de tus neuronas que en la interior, pero hay más iones de potasio (K+) en la interior que en la exterior. Los dos tipos de iones tienen carga positiva, pero el cómputo global de esas cargas da como resultado una mayoría de cargas positivas en el exterior respecto al interior, por lo que este último actúa como polo negativo. Las bombas de Na/K mantienen esta distribución desigual de iones consumiendo gran parte de la energía que tomas con los alimentos. El Na+ se acumula como el agua en un embalse, cuando abres la compuerta el agua fluye con fuerza; la membrana de las neuronas tiene muchas compuertas que al abrirse de forma brusca producen una ráfaga de iones Na+ que viajan por sus axones como una sucesión de descargas eléctricas. Cada chorro de Na+ activa la apertura de compuertas que permiten el flujo de los iones K+ en sentido contrario. Esta corriente eléctrica recarga la batería y restituye la distribución inicial de cargas a ambos lados de la membrana. El potencial de acción es la señal eléctrica en una neurona que se produce por la entrada a la célula de un chorro de Na+ seguida de la salida de un chorro de K+. En el “lenguaje” de las neuronas el potencial de acción representa un “1″ y su ausencia un “o.” Las neuronas se comunican entre sí en código binario, como los ordenadores digitales.”

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