En busca de una teoría general del comportamiento crítico de los sistemas biológicos

Es posible describir el funcionamiento del cerebro y de la célula con las mismas leyes matemáticas que regulan una sencilla pila de arena? Grano a grano, la arena se acumula. Con el tiempo, el crecimiento de la pila llega a un punto crítico en el que es tan inestable que el siguiente grano puede causar su colapso. Es a través de esta serie de aludes de varios tamaños que la pila de arena - un sistema complejo de millones de elementos - puede mantener la estabilidad general. Estudios empíricos y teóricos sugieren que las redes biológicas cuando operan en el umbral de esta criticalidad mejoran su funcionalidad en términos de procesamiento de la información, robustez y capacidad de evolución.

A pesar de que algunos estudios han intentado explicar la criticalidad de acuerdo a características específicas del sistema, todavía falta una teoría general del comportamiento crítico en los sistemas biológicos.

En un estudio publicado recientemente en la revista Frontiers in Physiology, en el que han participado Sergi Valverde, profesor visitante del Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud (CEXS) y miembro del Laboratorio de Sistemas Complejos de la Instituto de Biología Evolutiva (UPF-CSIC), y Jordi García-Ojalvo, investigador del Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud (CEXS) de la UPF, entre otros autores, se afronta este problema desde la perspectiva de los sistemas complejos, ya que muchos sistemas biológicos tienen en común que su organización interna se puede describir como una red compleja.

En este trabajo los autores revisan y debaten los recientes avances publicados sobre criticalidad de las redes neuronales y génicas, y reflexionan sobre las implicaciones de la teoría de redes en las características evolutivas de la criticalidad.

Criticalidad de las redes biológicas

El cerebro es una máquina increíblemente compleja que contiene del orden de 10 ⁹ neuronas y cada una de las neuronas se conecta a miles de otras neuronas. Todas las interacciones dan lugar al proceso emergente conocido como conciencia. Como han comentado Valverde y GarcíaOjalvo ,"la actividad eléctrica de las redes neuronales oscila entre periodos de calma y aludes - al igual que los granos en un montón de arena - porque el cerebro está situado en el precario equilibrio de este punto crítico ", y han añadido " cuando nos alejamos del estado de criticalidad, el sistema pierde flexibilidad y adaptabilidad, ya que no puede operar a diferentes escalas temporales y se vuelve más rígido. Una mejor comprensión de cuál es la relación entre las propiedades estructurales y la dinámica crítica nos puede ayudar a entender qué sucede cuando el cerebro no funciona bien (por ejemplo, por culpa de lesiones y alteraciones anatómicas).Una situación similar se produce en las redes de proteínas que regulan el comportamiento de cualquier tipo de célula ".

Las redes biológicas difieren de los sistemas físicos

Los autores concluyen que las redes biológicas muestran importantes diferencias con los sistemas físicos. De entrada, los elementos de las redes biológicas (neuronas en el cerebro o proteínas en una célula) son muy diferentes entre sí. Asimismo, los sistemas biológicos operan habitualmente lejos del equilibrio termodinámico, y en múltiples escalas de tiempo muy diversas. Todas estas características diferenciales sugieren que la noción de criticalidad, tal y como está definida en la física estadística, podría ser insuficiente en el contexto de los sistemas realmente complejos, como el cerebro o incluso una "simple"célula.

Trabajo de referencia:

Sergi Valverde, Sebastian Ohse, Malgorzata Turalska, Bruce J. West y Jordi García-Ojalvo (2015), " Structural Determinantes of Criticality in Biological Networks", Frontiers in Physiology, doi: 10.3389 / fphys.2015.00127.