Francis en ¡Eureka!: El hipocampo de humanos, ratas y murciélagos

Dibujo20130421 cognitive map and memory stored in hippocampus - inside de brain

El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, ya está disponible. Si te apetece escucharlo, sigue este enlace (se corta en el minuto 7:31, puedes escucharlo completo a partir del minuto 02:08:00 en el programa completo). Como siempre una transcripción libre del audio.

El cerebro es fascinante y fuente de múltiples noticias científicas. Esta semana  ha sido noticia una parte del cerebro llamada hipocampo que actúa como un sistema GPS que nos permite movernos por nuestro entorno. ¿Qué es esta parte del cerebro llamada hipocampo? El hipocampo es una parte del cerebro con forma de letra “S” que recuerda a un caballito de mar, de ahí su nombre. En el cerebro humano hay dos hipocampos, uno en el hemisferio izquierdo y otro en el derecho. Cada uno está formada por unos 20 millones de neuronas, aunque el número depende de la edad y de otros factores, como la profesión. Los oyentes recordarán el caso de los taxistas de Londres, que tienen que aprenderse un gran número de lugares y las rutas más rápidas entre estos lugares; en el año 2000 se publicó un estudio que demostraba que el hipocampo de los taxistas de Londres está más desarrollado y tiene mayor volumen que el de una persona normal. En los años 1970, se lanzó la hipótesis de que hipocampo almacena un “mapa cognitivo,” es decir, una representación neuronal de nuestra posición y orientación en el espacio (por ejemplo, del salón de nuestra casa o del camino hasta nuestro lugar de trabajo). Múltiples estudian han demostrado que hay neuronas en el hipocampo que actúan como “células de posición” que disparan potenciales de acción cuando nos encontramos en cierto lugar; diferentes neuronas representan diferentes lugares y las neuronas próximas entre sí representan lugares próximos entre sí. Según la hipótesis del “mapa cognitivo,” el hipocampo actúa como el sistema GPS que guía nuestro coche.

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¿Se pueden predecir los terremotos partir del análisis de datos históricos?

El 11 de mayo, un terremoto de magnitud 4,5 —seguido por otro una réplica de 5,1— sacudía Lorca, en Murcia, causando destrozos, al menos nueve muertes y más de cien heridos. Mis condolencias para los familiares de las víctimas y los damnificados. “El caso es que el 11 de mayo de 2011 era el día en que según las notas dejadas por Raffaele Bendandi (1893-1979) tendría lugar un terremoto que destruiría Roma. Este astrólogo es famoso por sus múltiples predicciones de terremotos en Italia.” Más información en Miguel Santander, “De terremotos y profecías,” Tras el horizonte de sucesos, 12 mayo, 2011; también en Milhaud, “¿Se pueden predecir los terremotos?,” Recuerdos de Pandora, May 11, 2011; y en Arturo Quirantes, “Alerta Magufo: La influencia de los planetas en el terremoto de Lorca,” Amazings.es, 13/05/2011.

¿Se pueden predecir los terremotos partir del análisis de datos históricos? En 2002, la Oficina Central de Investigación de Terremotos del Gobierno de Japón predijo con una probabilidad entre el 80-90 % que habría un terremoto de magnitud entre 7,7 y 8,2 en los próximos 30 años en la región de Tohoku. No predijeron la probabilidad de un terremoto de magnitud 9, como el que ha sufrido dicha región en marzo de 2011, porque la consideraron despreciable. ¿Por qué fracasó su predicción? Nos lo cuenta Takeshi Sagiya (Universidad de Nagoya, Japón), “Rebuilding seismology,” Nature 473: 146–148, 12 May 2011.

La predicción de terremotos a largo plazo en Japón se basa en el análisis estadístico del registro histórico de terremotos de los últimos 400 años. Sin embargo, el terremoto de Tohoku demuestra que 400 años es un plazo de tiempo demasiado corto para evaluar la actividad sísmica. Un gran tsunami comparable al ocurrido en marzo inundó la costa de la zona de Sendai en el año 869 DC. ¿Hay que utilizar toda la información histórica disponible, sin ningún límite, a la hora de predecir futuros terremotos? Muchos sismólogos japoneses están empezando a pensar que sí es necesario hacerlo.

En Japón confluyen varias placas tectónicas, la amuria (parte de la euroasiática), la filipina y la de Ojotsk (parte de la norteamericana). El análisis mediante GPS (Sistema de Posicionamiento Global) del movimiento de estas placas tectónicas durante la última década mostró una discrepancia entre las tasas geológicas y geodésicas de deformación de la corteza terrestre (una tiene un valor un 30% menor que la otra). Esta gran discrepancia se detectó en el año 2000 y se confirmó en 2004. Sin embargo, los científicos japoneses no fueron capaces de encontrar una explicación razonable a este hecho, por lo que dicha discrepancia no fue tenida en cuenta en el análisis de futuros terremotos. ahora sabemos que el gran terremoto de Tohoku ha estado relacionado con esta discrepancia.

La sismólogos japoneses saben ahora que tienen que integrar datos sísmicos, geodésicos, geomorfológicos y geológicos con objeto de mejorar las técnicas actuales de predicción de terremotos. Cualquier inconsistencia entre datos de múltiples fuentes debe ser tenida muy en cuenta. La extensa red de GPS en Japón no había detectado ninguna anomalía justo antes del terremoto porque éste se produjo a 200 kilómetros de la costa, donde no se dispone de datos de GPS. Japón deberá priorizar la investigación en el desarrollo de la tecnología GPS para su aplicación al fondo oceánico. Según los sismólogos esta tecnología es apremiante.

La Agencia Meteorológica de Japón cuenta con uno de los sistemas más avanzados en el mundo para proporcionar advertencias en tiempo real de los tsunamis y temblores. El sistema de alerta temprana del terremoto ha estado en vigor desde 2007 y ha proporcionado más de 10 advertencias de terremotos fuertes (por teléfono móvil (celular), televisión, radio y mediante un sistema de altavoces en las comunidades locales). El sistema detectó el terremoto en la costa de Tohoku y unos 8 segundos emitió una advertencia pública en la región cercana al epicentro. Veintisiete trenes bala fueron detenidos sin problemas. Tres minutos más tarde se emitió la advertencia de tsunamis muy grandes hacia Iwate, Miyagi y Fukushima. Las olas llegaron entre 15-20 minutos más tarde a la costa. Sin embargo, el rendimiento global de este sistema no fue satisfactorio. El sistema subestimó la magnitud del terremoto y la altura del tsunami, por lo que no se advirtió a la población de la región de Tokio, donde muchas zonas experimentaron terremotos fuertes y dañinos. El sistema de alerta temprana de temblores fuertes emitió más de 70 avisos para los terremotos secundarios. El sistema funcionó bien para estos eventos más pequeños, pero hubo algunos errores de estimación de la magnitud por la concurrencia simultánea de varios terremotos.

El terremoto de Tohoku ha demostrado a los sismólogos que los terremotos grandes pueden ocurrir en las regiones sísmicamente muy activas con mayor frecuencia de lo que se pensaba. Algunos sismólogos creen que el análisis de las estadísticas históricas no siempre son suficientes. Parece necesario medir los esfuerzos y las tensiones acumuladas cerca de las fallas. Para ello será necesario realizar pozos de sondeo y mediciones de temperatura en las fallas submarinas. La investigación en nuevas técnicas que faciliten la obtención de estos datos parece una necesidad imperiosa si queremos mejorar las predicciones de futuros terremotos y tsunamis.

Publicado en Nature: El experimento más preciso de la dilatación gravitatoria del tiempo mediante relojes cuánticos

Un experimento de menos de un millón de dólares desarrollado por el Premio Nobel Steven Chu, Secretario de Energía del Presidente Obama, obtiene un test de precisión de la relatividad general 10000 veces más preciso que el mejor hasta ahora, 1000 veces más preciso que el que obtendrá el futuro experimento ACES que la ESA pretende instalar en la ISS y que costará más de 100 millones de euros. Según la relatividad general un reloj en un campo gravitatorio más intenso corre más lento. Normalmente este tipo de experimentos se realizan en satélites y en aviones de largo recorrido. Sin embargo, Holger Müller, Achim Peters y Steven Chu han utilizado una trampa láser para medir la diferencia entre el tiempo medido por dos relojes cuánticos separados una distancia vertical de 0,1 mm. en el campo gravitatorio de la Tierra y han verificado la teoría de Einstein con una precisión de 7 partes en mil millones. Cada reloj cuántico es un único átomo de Cesio enfriado cerca del cero absoluto encerrado en una trampa atómica por láser, la tecnología que hizo que Chu obtuviera el Premio Nobel en 1997. Steven Chu afirma que ha tenido que trabajar en el experimento de noche, durante los fines de semana y mientras viajaba en avión, debido a que dedica entre 70 y 80 horas semanales a su trabajo como Secretario de Energía. Nos lo cuenta Eric Hand, “General relativity tested on a tabletop,” Nature 463: 862, 17 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico Holger Müller, Achim Peters, Steven Chu, “A precision measurement of the gravitational redshift by the interference of matter waves,” Nature 463: 926-929, 18 February 2010.

Christophe Salomon debe estar que trina. El investigador principal del proyecto ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) que la ESA (European Space Agency) pretende instalar en 2013 en la Estación Espacial Internacional (ISS o International Space Station) está planeada para verificar la dilatación temporal de Einstein en un campo gravitatorio casi 1000 veces peor que el nuevo experimento de Müller et al. Una misión que costará unos 100 millones de euros a las arcas de los europeos en plena crisis siempre genera dudas. Por supuesto, Salomon se defiende afirmando que la misión también desarrollará otros experimentos relacionados y que medirá el efecto en distancias de kilómetros, en lugar de milímetros. Pero bueno, es nuestro dinero…

La teoría general de la relatividad predice que un reloj en un potencial gravitatorio U corre más despacio en un factor 1+U/c2, donde c es la velocidad de la luz, comparado con un reloj similar fuera de dicho potencial. Este efecto, llamado corrimiento al rojo gravitatorio, es importante para el funcionamiento preciso de los sistemas de GPS (Global Positioning System), en relojes atómicos de alta precisión y en futuros experimentos ultraprecisos que utilicen relojes colocados en el espacio que busquen variaciones de constantes fundamentales. El corrimiento al rojo gravitatorio ha sido medido utilizando relojes en aviones, cohetes y satélites, logrando alcanzar un error relativo de 7×10-5. El nuevo experimento basado en la interferencia cuántica de átomos ha permitido una medida mucho más precisa, alcanzando una precisión relativa de 7×10-9. Un resultado que cofirma la teoría de la relatividad general de la gravedad hasta un límite sin precedentes.

El nuevo experimento se basa en reinterpretar los experimentos de interferometría atómica que se han utilizado para medir la aceleración de la gravedad en caída libre.  La figura que abre esta entrada explica el experimento. Un átomo enfriado en una trampa láser es lanzado en vertical hacia arriba en una cámara de vacío sobre el que inciden tres pulsos ópticos desde un par de haces láser verticales antiparalelos con números de onda k1 y k2, respectivamente. Cada pulso láser transfiere un momento ħ(k1+k2) (donde ħ es h/2π y h es la constante de Planck) desde los dos fotones al átomo. Este proceso induce un retroceso del átomo que corresponde a un momento combinado ħk, donde kk1+k2. La intensidad y la duración del primer pulso láser se ha ajustado de tal forma que el proceso ocurre con una probabilidad del 50%. Como resultado, el primer pulso encuentra el átomo en un estado de superposición coherente de dos estados cuánticos, que se separan debido a su momento relativo ħk. El segundo pulso redirige el momento del átomo de forma que las trayectorias de los dos estados cuánticos coinciden en el momento en que incide el tercer pulso.

La mecánica cuántica describe el átomo en sus dos trayectorias mediante sus ondas de de Broglie en un estado coherente tal que sus oscilaciones están inicialmente sincronizadas (se separaron gracias al primer pulso láser). La aplicación del tercer pulso hace que las funciones de onda interfieran de forma constructiva o destructiva en función de su diferencia de fase, que se puede medir gracias a que afecta a la probabilidad de obtener como resultado de la medida alguno de los dos estados posibles. El resultado experimental obtenido compardo con el esperado teóricamente conduce a un error relativo de (7±7)×10-9, que es independiente de la aceleración local de la gravedad, g, y totalmente compatible con la relatividad general.

Un gran resultado de Steven Chu, máxime teniendo en cuenta lo terriblemente ocupado que estará en su cargo. Por supuesto, todos sabemos que el trabajo duro lo habrán desarrollado los otros dos autores (en especial el primer autor, Holger Müller, que por ello he puesto su foto en la figura que abre esta entrada), pero no debemos despreciar la labor de superposición desarrollada por este Premio Nobel.

PS (18 feb. 2010): Judith de Jorge, “Confirmado: Einstein tenía razón,” ABC.es, 17 feb. 2010 [visto en Menéame]; Alicia Rivera, “Átomos en vez de relojes para confirmar la teoría de Einstein con alta precisión,” El País, 17 feb. 2010.

PS (18 feb. 2010): Kanijo, “Confirmados los efectos de la gravedad sobre el tiempo,” Ciencia Kanija, 18 feb. 2010, traducción de “Gravity’s effect on time confirmed,” PhysicsWorld.com, Feb. 17, 2010.

PS (24 feb. 2010): Merece la pena leer a Enrique Álvarez, “Dos átomos para Einstein. Asombrosa detección del minúsculo efecto de la gravedad en la luz,” El País, 24/02/2010.

El GPS del genoma: los genes Hox y cómo codifican la posición de una célula en el organismo

Todas nuestras células comparten el mismo genoma, sin embargo, nuestro cuerpo presenta miles de tipos de células diferentes distribuidos en cada uno de nuestros tejidos y órganos. ¿Cómo sabe una célula de un organismo multicelular dónde se encuentra? Gracias a su posición en los ejes de desarrollo del organismo, que vienen determinados por el estado de los 39 genes Hox que residen en la cromatina de nuestras células. Cada uno puede estar en dos estados, activo (ON) o inactivo (OFF), codificando un número binario. El resultando son 2^39 = 0,55 billones de posibles posiciones. ¿Qué combinación de genes Hox determina que un dedo sea índice, corazón o meñique? Las nuevas técnicas de secuenciación genómica están mostrando que la combinación exacta de genes Hox no es la misma para todas las células del dedo, sino que depende del tipo de célula (fibroblastos, células endoteliales, células musculares, células de grasa o de hueso). Las células recuerdan tanto su origen (la ubicación del sitio en el que se desarrollaron) como su posición final en el cuerpo. Estos mecanismos constituyen una especie de GPS para el genoma, como nos propone el artículo de Howard Y. Chang, “Anatomic Demarcation of Cells: Genes to Patterns,” Science, 326: 1206-1207, 27 November 2009. Este artículo es uno de los 6 artículos del número especial de la revista Science de hoy dedicado a este interesante problema que nos presenta Stella Hurtley, “Location, Location, Location,” Science 326: 1205, 27 November 2009.

El principio organizador de la diversidad celular en los organismos multicelulares es su posición anatómica. La posición de una célula dentro de nuestro organismo y la posición de los constituyentes de dicha célula dentro de ella determinan su tipo y las funciones que será capaz de desempeñar. Poco a poco se está empezando a desentrañar el código que almacena la posición de una célula, los genes que codifican las proteínas que las diferencian de otras células, gracias a los avances en genómica funcional. En concreto, el papel regulador de los genes Hox y su interacción con los estados de la cromatina como determinantes de la identidad posicional de cada célula.

El genoma es como un dispositivo GPS que codifica la posición de cada célula en nuestro organismo. Nuestras células están regenerándose continuamente, por lo que el genoma se enfrenta al problema de garantizar el perfecto funcionamiento de esta compleja organización durante toda la vida. Los descubrimientos recientes indican que la posición de la célula se determina en función de los ejes de desarrollo del animal, por ejemplo, los ejes antero-posterior (que va de la cabeza a la cola) y proximal-distal (cerca o lejos del tronco, en dirección a las extremidades y otros apéndices del cuerpo). La posición a lo largo de estos ejes es determinada por los genes Hox (u homeóticos). Estos genes codifican factores de transcripción que controlan la morfogénesis del cuerpo durante el desarrollo embrionario. Todavía no se ha descifrado cuáles son todos estos ejes y qué representa exactamente cada gen Hox. Se esperan grandes avances en su comprensión en los próximos años.

No es el reloj más preciso del mundo, pero casi y es mucho más fácil de fabricar (usa átomos de yterbio en una red óptica)

Dibujo200908017_Yterbium_Clock_NIST_optical_latticeUn segundo son 9.192.631.770 resonancias de un átomo de cesio (definido en 1967). Hoy en día se podría definir de forma aún más precisa. N.D. Lemke et al. han obtenido un reloj óptico basado en átomos de yterbio (de espín 1/2) confinados en una red óptica con una frecuencia de  518.295.836.590.865,2 (0,7) Hz. ¿Cuándo cambiará el segundo estándar y será redefinido en función de los nuevos avances? Nadie lo sabe aún, pero las opiniones que claman por un segundo más preciso (mejor definido) cada día son mayores, más aún cuando desde el propio NIST ya han desarrollado muchas tecnologías que superan al estándar. El artículo técnico es N. D. Lemke et al. “Spin-1/2 Optical Lattice Clock,” Phys. Rev. Lett. 103: 063001, 2009, ArXiv preprint, 5 Jun 2009, y ha sido comentado en varios lugares como Sonja Grondalski, “Atoms in a lattice keep time,” Physics, August 2009.

Los avances en relojes basados en yterbio parecen indicar que la nueva definición estándar del segundo estará basada en dicho elemento en lugar de en cesio, como hasta ahora. Desde 2001, prácticamente cada dos años se proclama un nuevo reloj récord, el más preciso del mundo, y casi todos se basan en yterbio. Así nos lo cuentan por ejemplo en “Ytterbium Gains Ground In Quest For Next-generation Atomic Clocks,” ScienceDaily, Aug. 12, 2009, y en “Experimental Atomic Clock Uses Ytterbium ‘Pancakes’,” NIST Tech Beat, March 6, 2998.

¿Para qué queremos relojes cada vez más precisos? Muchas tecnologías como el GPS (Global Positioning System) o las telecomunicaciones a gran ancho de banda con multiplexado en frecuencia requieren relojes extremadamente precisos. Los relojes basados en tecnología óptica (como el publicado en PRL) son mucho mejores para estas aplicaciones que los relojes atómicos. Por otro lado, estos relojes ultraprecisos pueden tener aplicaciones básicas como el desarrollo de mejores sensores para la gravedad y la exploración de recursos naturales subterráneos mediante sismografía 3D, entre otras.

No sabemos lo que “es” el tiempo, pero creemos que sabemos medirlo. Desde un punto de vista práctico, el tiempo es lo que miden los relojes, los dispositivos experimentales que miden el tiempo. ¿Quién fue primero el huevo o la gallina, perdón, el tiempo o el reloj? En gravedad cuántica esta cuestión es mucho más importante de lo que parece, aunque todavía no tiene respuesta. Por cierto, para las mentes inquietas, en gravedad cuántica la opinión más generalizada es que el tiempo no existe ya que no se sabe cómo construir relojes a la escala de Planck que lo midan. El tiempo emerge de forma efectiva, como lo hace el concepto de temperatura en termodinámica. ¿Quién entenderá el tiempo “oculto” en las ecuaciones de Wheeler-de Witt, la ecuación de Schrödinger para el universo en su conjunto, que no presenta al tiempo de forma explícita? Muchas preguntas, mientras el tiempo pasa, inexorable, sin pausa.

Tiempo sin tiempo,” Mario Benedetti

Preciso tiempo necesito ese tiempo
que otros dejan abandonado
porque les sobra o ya no saben
que hacer con él
tiempo
en blanco
en rojo
en verde
hasta en castaño oscuro
no me importa el color
cándido tiempo
que yo no puedo abrir
y cerrar
como una puerta

tiempo para mirar un árbol un farol
para andar por el filo del descanso
para pensar qué bien hoy es invierno
para morir un poco
y nacer enseguida
y para darme cuenta
y para darme cuerda
preciso tiempo el necesario para
chapotear unas horas en la vida
y para investigar por qué estoy triste
y acostumbrarme a mi esqueleto antiguo

tiempo para esconderme
en el canto de un gallo
y para reaparecer
en un relincho
y para estar al día
para estar a la noche
tiempo sin recato y sin reloj

vale decir preciso
o sea necesito
digamos me hace falta
tiempo sin tiempo.

Automóviles que se comunican entre sí y el futuro de los accidentes de tráfico

dibujo20081123motorLa industria automovilística mundial está en crisis. Las crisis tienen algo positivo. Son la mejor ocasión para darle al “coco” y buscar nuevos avances, nuevas tecnologías. El gran problema, el gran número de accidentes y accidentes mortales en carretera y ciudad, debe ser resuelto. Las grandes empresas automovilísticas están buscando soluciones, como nos lo cuenta Steven Ashley, “Driving Toward Crashless Cars,” Scientific American, December 2008 .

Entre las soluciones propuestas, la comunicación sin cables entre vehículos me parece la más prometedora en relación coste/calidad. La comunicación vehículo a vehículo (V2V) y vehículo a infraestructura (V2I) permite que nuestro automóvil reciba información sobre el estado actual de la carretera en tiempo real. Por ejemplo, nuestro vehículo podría recibir la advertencia emitida por un semáforo de que otro vehículo a acelerado con objeto de cruzarlo en amarillo-rojo, en lugar de frenar, lo que nuestro vehículo puede utilizar para ir frenando y advertirnoslo con una señal luminosa oportuna. Otro ejemplo, un automóvil cuyo conductor pegara un frenazo brusco, advertiría a los demás vehículos de este hecho, y gracias al efecto dominó, un vehículo a cientos de metros en una carretera podría advertir de este hecho a su conductor mucho antes de que su conductor pueda llegar a percibirlo sin ayuda.

Hoy en día, la tecnología está ahí. Muchos automóviles incorporan GPS y ordenadores lo suficientemente potentes como hacer práctica esta posibilidad. Toyota, General Motors, Nissan y otros ya están trabajando en las técnicas V2V, y países tan avanzados como Japón están desarrollando prototipos V2I.

Más información: ¿Qué es el sistema V2V? “Sistema V2V de General Motors.” “La comunicación entre vehículos llegará en 2012.”

Technical Report: “A REVIEW OF VEHICLE-TO-VEHICLE AND VEHICLE-TO-INFRASTRUCTURE INITIATIVES