Para mí como bióloga, el ejemplo máximo de un sistema que tiene propiedades emergentes es el sistema nervioso. Todas sus funciones son propiedades emergentes como la conciencia, nuestros recuerdos, nuestras sensaciones, nuestras emociones y las conductas

¿Cómo se produce la actividad nerviosa que interviene en la respiración de los seres humanos? La generación del ritmo respiratorio es un sistema complejo en el que actúan un grupo de neuronas ubicadas en el tallo cerebral, específicamente en el complejo llamado preBötzinger, al que se refirió la bióloga Consuelo Morgado durante el coloquio Comportamientos emergentes: De átomos a sociedades.

Con la participación de la académica del Centro de Investigaciones Cerebrales de la Universidad Veracruzana, y de Marcos Nahmad del Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias del Centro de Investigación y Estudios Avanzados, CINVESTAV, El Colegio Nacional transmitió el 4 de julio la quinta sesión de este encuentro coordinado por el colegiado Pablo Rudomin.

Generación del ritmo respiratorio. El todo es más que la suma de sus partes, fue el título de la ponencia de la doctora Morgado, mediante la que explicó que el ritmo respiratorio es una propiedad emergente, es decir, que surge por la interacción de sus partes.

Describió que “las propiedades emergentes no están presentes en las partes por separado, por ello se dice que el todo es más que la suma de las partes. Las propiedades emergentes sólo pueden ser observadas y medidas cuando se integran al sistema todos los componentes esenciales”.

Por ejemplo, la función principal de un reloj es dar la hora y es posible leer el movimiento de sus manecillas; sin embargo, el mecanismo interno de este objeto no se conoce o no se observa a simple vista, cada una de las partes que lo integran se pueden estudiar, pero no se puede ver la hora si se observaran por separado. Lo mismo ocurre con el ritmo respiratorio.

Existen dos tipos de propiedades emergentes: las funcionales, que aparecen cuando todas las partes del sistema trabajan en conjunto; y las no funcionales, que se refiere a las propiedades del comportamiento del sistema como fiabilidad, robustez o reproducibilidad. En el reloj, por ejemplo, la propiedad funcional es el movimiento de las manecillas para dar la hora, y la no funcional es la confiabilidad, no se puede confiar en él si está adelantado o atrasado.

“Para mí como bióloga, el ejemplo máximo de un sistema que tiene propiedades emergentes es el sistema nervioso. Todas las funciones superiores del sistema nervioso son propiedades emergentes como la conciencia, nuestros recuerdos, nuestras sensaciones, nuestras emociones y todas las conductas que tenemos”, puntualizó.

La línea de investigación de Morgado se centra en el estudio de la generación de la actividad rítmica de los pulmones. “¿Por qué estudiar la generación del ritmo respiratorio? Se trata de una conducta fundamental, está presente en el nacimiento y es continua durante toda la vida, tiene salidas y entradas medibles, es estable, confiable y rítmica, es parecida entre mamíferos no primates y humanos, además se puede estudiar en preparaciones que llamamos In vitro.

“Lo que quiero comunicarles es que la generación del ritmo respiratorio es una propiedad emergente de un grupo de neuronas que se encuentran en el complejo preBötzinger, área del tallo cerebral que se puede estudiar gracias a una rebanada de tejido que se conoce como rebanada rítmica de tallo cerebral, donde tenemos acceso a estas neuronas para estudiar la generación y la modulación del ritmo respiratorio”.

La actividad de estas neuronas es transmitida al núcleo motor y de éste a la parte del nervio 12, conocido como el nervio hipogloso, que se encarga de coordinar los movimientos de la lengua.

El área preBötzinger es suficiente para la generación de la fase inspiratoria del ritmo respiratorio, acción de particular interés porque cuando una persona inspira es el único momento en el que se contraen sus músculos. “Un individuo de aproximadamente 85 años habrá movido sus músculos aproximadamente unas 700 millones de veces”.

El estudio de los ritmos biológicos no es una pregunta trivial. Para ejemplificar la complejidad del mecanismo de respiración, pensemos en una langosta, su ritmo respiratorio es generado por tres neuronas, estudios a través de modelos computacionales encontraron que existen más de 4 millones de combinatorias posibles para que estas tres neuronas generen el ritmo, se piensa que el complejo preBötzinger tiene aproximadamente 3000 neuronas por lado. Esto nos habla de la complejidad de la generación de una conducta rítmica, puntualizó Morgado.

Controlando el tamaño de un órgano célula a célula

Por su parte, Marcos Nahmad ofreció la charla Crecimiento, dinámica y cáncer: controlando el tamaño de un órgano célula a célula. El investigador del CINVESTAV del Instituto Politécnico Nacional trabaja en el estudio de la mosquita de la fruta, insecto que tiene propiedades genéticas diversas que ayudan a responder preguntas sobre la biología.

Nahmad se refirió a la importancia de tratar de responder una pregunta desde el punto de vista de ciencia básica y el impacto que puede tener no sólo en el problema que se busca atacar, sino en un conflicto más general.

“Una de las preguntas centrales de la biología del desarrollo es entender cuáles son los principios de diseño que hacen que a nivel genético se determine el tamaño y la forma de los seres vivos”. A la pregunta ¿Por qué se piensa en los sistemas biológicos como sistemas y no como partes individuales? Nahmad respondió: “porque a través de entender cómo funcionan los sistemas podemos entender más el diseño del genotipo (genes en el núcleo celular de cada individuo) y así comprender un poco mejor el fenotipo (las características visibles de un individuo)”.

Agregó que esto es básicamente lo que la genética hizo en los últimos 120 años, generar perturbaciones en el genotipo y observar lo que éstas provocan en el fenotipo.

“Trabajamos en el modelo que se llama Drosophila melanogaster, mosquita de la fruta, que se ha convertido en un caballo de batalla para la genética durante muchos años, el órgano que estudiamos es el que da lugar a las alas. Se trata de un órgano que crece de manera exponencial durante el periodo larvario. Y las células que dan lugar a las alas de la mosca están determinadas en este periodo larvar por un gen que se llama vestigial”.

Eso quiere decir que si se quita este gen en el proceso larvario de una mosca, lo que se obtendrá son moscas sin alas. Incluso, si se coloca vestigial en un lugar donde no debe ser, por ejemplo, en las patas, se tendrán como resultado estructuras que se parecen mucho a las alas, lo que significa que el gen da la identidad de alas a las células que lo expresan.

“Hemos encontrado que las células que tienen vestigial pueden mandar una señal a sus vecinas que no lo tienen y las pueden convertir en células de este gen. A este proceso se le llama reclutamiento. El reclutamiento, contribuye al tamaño, ayuda al crecimiento aproximadamente en un veinte por ciento”, aseguró el experto en sistemas biológicos complejos.

Nahmad y su equipo de laboratorio trabajan con un modelo matemático mediante el que buscan comprender los mecanismos de crecimientos de las células como las cancerígenas y así poder inhibir o modificar su desarrollo en el organismo.

Fuente: El Colegio Nacional