No hay duda de que ésta es una de las preguntas más fascinantes y esquivas de la biología moderna: ¿Cómo puede una sola célula (el óvulo fecundado), después de dividirse miles de millones de veces, acabar convirtiéndose en la estructura más compleja del mundo? … ¿Universo conocido? Porque el cerebro humano no es sólo un montón de tejido biológico; es una red masiva que alberga unos 170.000 millones de células (si sumamos neuronas y células de soporte, o glía) que están cuidadosamente orquestadas. Si alguna de estas partes está en el lugar equivocado, todo el sistema puede fallar, provocando discapacidades del desarrollo o trastornos neurológicos graves.
Hasta ahora, la ciencia nos dice que las células utilizan “balizas químicas” para orientarse. Pero hay un problema fundamental: el cerebro es demasiado grande, demasiado denso y demasiado complejo para que estas señales lleguen a todos los rincones. Pero un equipo de neurocientíficos del Laboratorio Cold Spring Harbor (CSHL), en colaboración con investigadores de la Universidad de Harvard y ETH Zurich, acaba de encontrar otra posible (y sorprendente) respuesta.
Es una solución simple pero elegante, y una de esas que la naturaleza a menudo esconde “a plena vista”: el cerebro se construye según su propio árbol genealógico. No necesitas un arquitecto externo; le basta con recordar quién es su familia.
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No puedo masticar mejor ni hablar mejor.
Di adiós al “GPS químico”
El paradigma dominante en la biología del desarrollo se ha basado durante mucho tiempo en los llamados gradientes químicos o “morfógenos”, sustancias químicas descritas teóricamente por Alan Turing en los años cincuenta.
La idea clásica es que las células intercambian información posicional principalmente a través de señales químicas que, como la luz de los faros de un automóvil, se debilitan con la distancia. Del mismo modo, las células cerebrales más cercanas entre sí reciben señales fuertes y se convierten en un tipo de tejido, mientras que las células cerebrales más alejadas reciben señales débiles y se convierten en otro tipo de tejido.
En el cerebro en crecimiento, las señales químicas se diluyen. Es como intentar escuchar los susurros en un estadio de fútbol lleno de gente.
El problema, explica Stan Kerstjens, autor principal del estudio, es que “lo único que una célula ‘ve’ es a sí misma y a sus vecinas”. Es decir, el sistema químico sólo funciona cuando se trata de docenas de células en un embrión temprano. Pero el cerebro es más que unas pocas células. Hay miles de millones de neuronas y cada neurona debe ubicarse en el lugar correcto. A esta escala, las señales químicas se diluyen. Es como intentar oír un susurro en un estadio lleno; la señal se pierde en el ruido antes de llegar a su destino. Los científicos explican que si las células crecen en el lugar equivocado, pueden ocurrir problemas y el cerebro no puede desarrollarse bien. Por tanto, cada celda debe resolver dos preguntas: ¿Dónde estoy? ¿Qué necesito ser?
Se muestran patrones de expresión genética de miles de genes en dos regiones adyacentes (roja y azul) del cerebro del pez cebra.
(Laboratorio Zador/CSHL)
Sigue “Familia”
Las respuestas propuestas por los investigadores se alejan de la dependencia exclusiva de las señales químicas y se centran más en lo que llamamos la “historia familiar” de las propias células. “Pensemos en cómo cambia la población de un país a lo largo de las generaciones”, explica Kosterjans. La descendencia se estableció cerca de sus padres, por lo que las personas con una ascendencia común terminaron en áreas cercanas, creando estructuras geográficas a gran escala sin necesidad de intercambios a larga distancia.
Esencialmente, es un modelo de información de ubicación basado en linaje. Los investigadores creen que, de manera similar, las células no necesitan recibir instrucciones químicas del otro lado del cerebro. Les basta saber de quién son hija y hermana. En palabras de Kerstjens, “las células del mismo progenitor tienden a estar cerca unas de otras”.
Este descubrimiento podría cambiar la forma en que diseñamos la inteligencia artificial: los modelos futuros no serán entrenados, sino “criados”
Esto crea una especie de mapa de coordenadas intrínseco. Es como si cada neurona tuviera un “apellido” que automáticamente le indica su “código postal”. Si tu apellido es “Visual Cortex”, te quedas con tu familia en la parte posterior del cerebro; no migras a los lóbulos frontales. Por lo tanto, una célula no necesita un GPS externo que le indique dónde está, sino que lleva “coordenadas” inscritas en su linaje familiar.
mecanismo general
Para probar su teoría, Kerstjens y su equipo diseñaron lo que llaman un “modelo de información de ubicación escalable basado en linaje”. No se limitaron a las matemáticas teóricas, sino que validaron sus cálculos analizando la expresión genética individual en cerebros de ratones completamente desarrollados. Al rastrear clones (grupos de células del mismo ancestro), descubrieron que la teoría era correcta: la relación predice la ubicación. Luego, de manera aún más concluyente, confirmaron que el mismo patrón matemático también funcionaba en el pez cebra.
Según el estudio, esto sugiere que estamos ante un mecanismo general que funciona de la misma manera en los pequeños cerebros de los peces que en los complejos cerebros de los mamíferos. Sin embargo, Kerstjens aclaró que esto no significa que no estén presentes señales químicas. En cambio, la línea sanguínea y la química trabajan juntas. La genealogía proporciona el mapa general (la estructura “aproximada”), mientras que la química refina los detalles locales.
Del cáncer a la inteligencia artificial
Las implicaciones de esta investigación se extienden mucho más allá de la neurociencia básica. Por ejemplo, la investigación nos está brindando una nueva forma de observar el cáncer. Después de todo, los tumores son tejidos que crecen y se organizan (o se desintegran) según reglas biológicas. Comprender cómo el linaje determina la ubicación puede revelar cómo las células cancerosas “olvidan” su ubicación y deciden migrar (hacer metástasis) o colonizar los tejidos vecinos.
Por otro lado, en un mundo cada vez más obsesionado con la inteligencia artificial, este descubrimiento también puede convertirse en una auténtica “hoja de ruta” para la ingeniería informática. Hasta ahora, nuestra red neuronal artificial ha sido diseñada de forma muy rígida. Pero si queremos crear una inteligencia artificial que se “autoreplica” o aumenta su complejidad, es posible que tengamos que imitar a la naturaleza.
“El cerebro nos hace inteligentes en cierto modo”, reflexiona Kestjens. Pero, ¿cómo logró desarrollar esta habilidad, no sólo durante su crianza sino a lo largo de su evolución? “Es una pieza fundamental de este enorme rompecabezas”.
Es posible que los futuros modelos de IA ni siquiera se entrenen con cientos de miles de ejemplos y datos, sino simplemente “entrenados”, pasando información de una generación de código a la siguiente, tal como lo hacen nuestras propias neuronas. La naturaleza nos demuestra una vez más que las soluciones más simples (en este caso, seguir a la familia) muchas veces nos permiten construir las maravillas más sorprendentes.
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