Relación de la física con las neurociencias

CC por geralt

  Durante mucho tiempo la física fue una ciencia aislada que se dedicaba cerradamente al estudio de su campo de investigación. Sin embargo cada vez es más común la relación de esta ciencia con otras. Como lo es la biología molecular, la economía, la ecología, la etología,  entre otras.

El resultado es evidente: las investigaciones prosperan y ambas ciencias se complementan. Como en el caso de las neurociencias.

Veamos un ejemplo:

La Kinesina es una molécula encargada del transporte de masa dentro de la célula. Estas moléculas trasportan su carga a través de los llamados microtúbulos. Se ha podido registrar su avance paso por paso, lo que ha permitido determinar su avance. Ahora sabemos que se mueve a 8nm de longitud, consumiendo la energía que le es proporcionada por la degradación de una molécula de ATP.

Observe como un fenómeno celular se basa y analiza con principios físicos, hasta llegar al punto donde predomina el lenguaje de la física en la descripción del problema.

Centrándonos en las neurociencias se pueden identificar tres factores que han contribuido a la cuantificación de la ciencia:

• El desarrollo de la teoría de los sistemas dinámicos no lineales
• El desarrollo del cálculo de los ordenadores
• Nuevas técnicas de experimentación en las neurociencias que proporcionan datos de funcionamiento de las neuronas hasta el nivel molecular

Los modelos físicos de una neurona

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CC por Pearson Scott Foresman

Ahora veamos algunos conceptos de las neurociencias que se desarrollaron a través de la física:

• Potencialde acción. Define que el potencial de acción se debe a la descarga de un potencial eléctrico, debido a un incremento brusco de la permeabilidad iónica de la membrana.
• Codificaciónpor tasa de disparo. Velocidad de la información trasportada a lo largo del sistema a través del impulso nervioso.
• Conductancia de la membrana axonal. Esta se incrementa cuando se genera el potencial de acción.
• Modelode Hodgkin-Huxley. Muestra que para la evolución de la diferencia de potencial eléctrico a ambos lados de un punto de la membrana es un oscilador.
• Modelode FitzHugh-Nagumo. Corresponde a lo que se conoce en la dinámica no lineal como un oscilador de relajación.

La neurona constituye el elemento básico del sistema nervioso. Esta genera un impulso nerviosos o potencial de acción a través de las vías nerviosas. Los contactos entre neuronas se dan gracias  a los neurotransmisores. Desde un punto de vista matemático las neuronas pueden verse como sistemas dinámicos multidimensionales y no lineales

La dinámica de una neurona individual es muy complicada debido a los fenómenos físicos que intervienen en el proceso. Por lo que los modelos emplean ecuaciones diferenciales y conceptos altamente relacionados con la física.

Dado que las neuronas se describen básicamente como osciladores de relajación, los estudios de sincronización cerebral deben de llevar la  comprensión de las propiedades de grandes conjuntos de osciladores, para determinar sus regímenes de organización.

Conclusión

CC por holdentrils

Para finalizar en una entrevista el Dr. W Singer, director del Instituto Max Plank para la investigación del cerebro afirma que se necesita un enfoque totalmente diferente en las neurociencias. Ese enfoque podría ser... la física.

Se espera que los físicos contribuyan en el desarrollo de este campo. El mayor impacto que podrían tener sería dar universalidad a los fenómenos que se desarrollan en el cerebro a través de ecuaciones. Esto debido la que la estructura cerebral es altamente compleja por la cantidad de neurotransmisores y receptores, es decir células con patrones de cableado precisos. Los modelos de biología se basan en pocos parámetros que son rígidos, los demás valores aunque varíen mucho en general no afectan de manera fuerte el sistema. Entonces mientras en el cerebro muchas variables cambian constantemente, las funciones neuronales permanecen constantes.

Las ciencias físicas juegan un papel muy importante en el futuro de las neurociencias. Sin duda cada vez se están desarrollando conceptos más desarrollados sobre la actividad neuronal, donde la física juega el papel principal. Los físicos tienen muchos problemas en las neurociencias que de seguro con el paso del tiempo van a lograr resolver.

Referencias:

Beggs, John .Can There Be a Physics of the Brain?Physical Review Letters. Department of Physics, Indiana University. Consultado el 17 de octubre de 2017 de https://journals.aps.org/prl/edannounce/10.1103/PhysRevLett.114.220001

Casado Vásquez, José Manuel. F. Sanjúan, Miguel A. Los físicos y la neurociencia. Consultado el  17 de octubre de 2017 de  http://www.fisica.urjc.es/papers/2003/612-602-1-PB.pdf