El cerebro humano es la computadora más compleja que existe. Comprender cómo funciona ha sido un esfuerzo científico durante siglos. Sin embargo, sólo con la tecnología reciente se ha avanzado hasta el punto en el que realmente podemos entender la función cerebral hasta un nivel molecular. Con una combinación de los últimos avances en la programación de computadoras junto con la bioquímica, los científicos del Okinawa Institute of Science y Technology Graduate University’s Computational Neuroscience Unit están creando herramientas que avanzan en nuestra comprensión del cerebro.

Los miembros de la unidad del profesor Erik De Schutter han desarrollado un simulador computacional llamado STEPS para ayudar a los investigadores a comprender las vías de señalización neuronal a nivel molecular.

Desde su primera versión en 2009, este simulador ha tenido mejoras muy significativas. En un artículo reciente, publicado en Frontiers in Neuroinformática, el investigador Dr. Weiliang Chen introdujo dos nuevos kits de herramientas que han desarrollando para ampliar aún más la funcionalidad de STEPS.

El modelado por ordenador permite a los investigadores poder recopilar datos y anticipar lo que puede suceder en un cerebro vivo, ayudándoles a probar y desarrollar hipótesis que se pueden utilizar en combinación con los experimentos en laboratorio. Los simuladores de neurociencia computacional, como STEPS, se basan en reconstrucciones detalladas de la morfología compleja de las neuronas. La reconstrucción de la morfología neuronal para la simulación es difícil y consume mucho tiempo, pese a los recientes avances en el software científico que ha simplificado un poco el proceso. La preparación geométrica de esta herramienta explicada en el documento publicado simplifica la recreación de la morfología neuronal para el investigador. El segundo juego de herramientas de visualización, permite a los investigadores visualizar directamente simulaciones STEPS de esos morfologías reconstruidas en tiempo real, tanto gráfica como numéricamente, una capacidad que no estaba disponible en el programa de antes.

En el documento, Chen demuestra cómo los kits de herramientas funcionan en dos simulaciones diferentes. Un ejemplo, usándolo para la geometría, ilustra cómo la compleja morfología de una neurona afecta a la función de la célula. En esta simulación de difusión anómala, se puede ver que las moléculas quedan atrapadas en las protusiones de la célula, esas partes ‘espinosas’ denominadas dendritas espinosas, y se difunden más lentas que los de una dendrita lisa, sin protrusiones. El otro ejemplo, demuestra que el conjunto de herramientas de visualización simula lo que ocurre cuando un canal iónico se abre para liberar calcio almacenado dentro de una neurona. Los investigadores son capaces de ver los efectos de la apertura de los canales y del calcio que está siendo liberado tanto de forma gráfica y numérica. Ambos ejemplos han sido reportados previamente en experimentos de laboratorio y simulados utilizando el modelado computacional; sin embargo, la capacidad para recrear fácilmente la forma de la célula, ver estos eventos a medida que ocurren y manipular las condiciones en tiempo real se deben a los nuevos juegos de herramientas.

El proyecto STEPS al completo es parte de una iniciativa de investigación a nivel global por la Comisión Europea del llamado Human Brain Project. En última instancia, el objetivo es integrar STEPS, que son modelos de neuronas a nivel molecular, con otros modelos computacionales que analizan los niveles de redes celulares y neuronales que otros están desarrollando, a fin de crear un inmenso cerebro humano virtual. Los investigadores usarán este cerebro virtual para estudiar desde lesiones cerebrales traumáticas hasta los efectos de un fármaco o de una enfermedad. La Unidad de Neurociencia Computacional es uno de los únicos dos laboratorios de Japón que forman parte del Proyecto Cerebro Humano.

En cuanto a Chen, dice: «Yo sólo quiero ver lo que está pasando en el cerebro, y deseo que otros también lo vean igual de fácil». Cuando se le preguntó si el Proyecto Cerebro Humano creará ese entendimiento, contestó, «a la larga podrá ser así, sin duda, pero se necesita conseguir las herramientas y tenerlas listas antes de que esto suceda». Con el ingenio de investigadores como él, parece que estamos en el camino correcto.

– Fuente: Okinawa Institute of Science and Technology – OIST.
– Publicación: Weiliang Chen, Erik De Schutter. Python-based geometry preparation and simulation visualization toolkits for STEPS. Frontiers in Neuroinformatics, 2014; 8 DOI: 10.3389/fninf.2014.00037.
– Imagen: Un ejemplo de uno de los kits de herramientas que permite a los investigadores la modelalación de una estructura celular compleja. Crédito del Instituto de Okinawa Institute of Science and Technology – OIST. – See more at: http://bitnavegante.blogspot.com.es/2014/07/modelando-el-cerebro-humano.html#sthash.JY7y3jC0.dpuf