modelado de ritmos biológicos

El director alza la batuta y la orquesta no solo produce sonido, sino una partitura compleja: cada nota suena en su momento, con su altura y su volumen. La luz también puede ser una partitura si se controlan su espectro y su tiempo. Antes, esto requería montajes voluminosos que no podían reconfigurarse una vez construidos.

En una sala de espejos, una persona se acerca a un espejo deformante y se ve unas veces enano y otras gigante. Algo parecido hacen los populares modelos de aprendizaje automático cuando se les pide adivinar la edad biológica a partir de análisis de sangre o imágenes cerebrales: estiran la edad en los extremos, subestimándola en los mayores y sobreestimándola en los jóvenes.

En un acuario del tamaño de una mesa de comedor, dos bancos de neones negros nadan en compartimentos adyacentes separados por una pared transparente. No pueden tocarse, pero ven cada movimiento. Y aquí está lo sorprendente: cuando un banco decide girar a la izquierda, el otro hace lo mismo un instante después. Como si dos péndulos colgados tras un cristal comenzaran a oscilar al unísono.

En la pared de cada arteria se celebra un concierto continuo. Las células musculares lisas, que revisten el vaso por dentro, construyen a la vez un armazón de sostén de colágeno, reorganizan su propio esqueleto interno y obtienen energía de la glucosa. Quien dirige esta orquesta es la proteína NOTCH3, que se asienta en la superficie de la célula y capta las señales de sus vecinas.

Un coágulo crece como una bola de nieve que rueda montaña abajo: al principio es pequeño, va atrapando capas nuevas, y cuándo se convertirá en una avalancha es difícil de adivinar. En la sangre se desencadena una larga cadena de reacciones —la cascada de coagulación—, donde una sustancia despierta a otra y el coágulo gana masa.

Un grupo de puntos brillantes nada en la oscuridad, a veces condensándose en islotes, a veces dispersándose en ondas. No son peces ni aves: es un modelo matemático de materia activa, donde cada partícula gasta su propia energía para moverse, y además nace, muere y compite con sus vecinas por el espacio.

Una gota de agua sobre el vidrio tiembla y brilla: parece tener vida propia. Un comportamiento similar ahora puede verse en el mundo de los coloides: partículas diminutas suspendidas en un líquido. Los investigadores simularon en computadora partículas que emiten señales químicas. Estas señales, como olores en el aire, se propagan alrededor y hacen que los vecinos se acerquen o se alejen.

En cualquier comunidad compleja —ya sea una orquesta o una colonia de microbios— se puede notar un ritmo. En el intestino de los ratones, las bacterias cambian su abundancia cada día, y durante mucho tiempo parecía que sincronizaban su reloj interno con el del huésped. Pero cuando los investigadores examinaron los datos de mediciones horarias, la imagen habitual se desmoronó.

Un enjambre de mosquitos parece una nube viva: cientos de cuerpos dan vueltas juntos, pero nadie se alinea ni repite los movimientos del vecino, como hacen los estorninos o los peces. Durante mucho tiempo no se entendía en qué se basaba esa unidad. Los autores del nuevo trabajo sugirieron que los insectos se comunican mediante el sonido.

Un estadio repleto de espectadores escucha por primera vez la voz del comentarista y, al instante, todo el estadio se pone en movimiento. El mensaje suena una y otra vez. Solo un puñado de personas en las filas cercanas reacciona. Algo similar ocurre con las redes neuronales en los organoides cerebrales, versiones en miniatura del cerebro cultivadas en laboratorio.

Una biopelícula bacteriana se parece a una ciudad de moco. Las casas son los propios microbios. Las calles y los puentes son largas moléculas de polímeros que las bacterias secretan al exterior. Toda esta construcción no es estática: los puentes se rompen y se vuelven a unir constantemente.

Comunicarse con neuronas vivas es como sintonizar un viejo receptor de radio: no solo hay que captar la onda correcta, sino también orientar la antena.

Las células de un mismo organismo son como panaderos gemelos en una cocina compartida. Tienen el mismo libro de recetas (ADN), pero al copiar la receta en un apunte y al montar el plato, surgen errores aleatorios. Esta imprevisibilidad —la entropía— hace que en células idénticas a veces haya mucha proteína y a veces poca.

Cada tumor escribe su propia cosmología. Sus células son galaxias y las mutaciones, estallidos estelares que marcan las ramas de su árbol genealógico. La clave de esta historia está en el ritmo de acumulación de erratas genéticas.

En el microcosmos, el ruido —las fluctuaciones aleatorias— suele destruir los frágiles estados cuánticos, igual que las ondas en el agua rompen el reflejo en un charco. Sin embargo, en algunos sistemas, el ruido colectivo y coordinado de muchas partículas produce el efecto contrario: surge un flujo unidireccional estable.

Una neurona se parece a un instrumento musical complejo. Para entender cómo responderá al tacto, antes había que conectarse directamente a cada cuerda: un procedimiento delicado, lento y solo posible en células individuales.

En el desarrollo embrionario, la célula se asemeja a un músico en una gran orquesta: debe tocar su parte guiándose por el director, el gradiente de moléculas señalizadoras. Pero el director no es fiable: la concentración de morfógenos fluctúa constantemente. ¿Cómo es que el violonchelista no se equivoca y toca la melodía del violín?

Imagina un libro que está siendo copiado simultáneamente por billones de escribas. Mientras la mayoría de ellos consulta el original, la narración sigue teniendo sentido. Pero en cuanto el control se debilita, el texto se llena de erratas, que se multiplican hasta que el manuscrito se convierte en un galimatías.

El corazón no late como un metrónomo: su ritmo baila al compás de la hora del día. Cada uno de nosotros tiene su momento en que el pulso alcanza su punto más alto. Ese pico es como la manecilla del reloj interno, y varía de una persona a otra. Pero, ¿qué mueve esa manecilla? Los investigadores dieron a los participantes relojes inteligentes y los siguieron durante casi un mes.

Una neurona se parece a un circuito eléctrico con pilas y resistencias variables. El papel de las resistencias lo desempeñan los canales iónicos —poros proteicos en la membrana que se abren y se cierran, dejando pasar partículas cargadas.

Una capa viva de células se asemeja a una multitud en una escalera mecánica. En estado de calma, todos se mueven con fluidez, pero en cuanto surge un apretón, el movimiento se detiene. Así, las capas celulares bajo carga pueden endurecerse repentinamente, transformándose de una masa maleable en un armazón elástico.

El crecimiento de una población, visto desde fuera, se parece a un tren que acelera: primero avanza apenas, luego gana velocidad. Pero basta con mirar los datos para que la imagen se vuelva borrosa. En una medición hay una docena de individuos, en otra, de repente, un centenar.

Cuando el director abandona la orquesta, los músicos aún tocan un rato de memoria. Pero sin un ritmo común, cada uno empieza a acelerarse o frenarse por su cuenta, y la sinfonía coordinada se convierte en un ruido disperso. Algo parecido, según el nuevo estudio, hacen el cerebro y el corazón en las últimas horas de vida de una persona.

La célula se arrastra sobre un gel, a veces viscoso, a veces elástico, y decide por sí misma cuándo acelerar. No se limita a deslizarse: su motor químico interno (el ruido en la expresión génica puede influir en la producción de "combustible") empuja el borde frontal, mientras que la cola se despega del soporte.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa rápida y uniformemente. Pero si el agua está aprisionada entre esferas densamente empaquetadas, la nube de tinta avanza lentamente y de forma caprichosa: rodea obstáculos, se atasca en cuellos estrechos. Así más o menos se mueven las moléculas de agua en el tejido vivo.

Una orquesta toca sin director. Cada músico tiene una partitura: los genes. Y el volumen y el tempo dependen de la acústica de la sala, del estado de ánimo y de los vecinos en el escenario. Así, aproximadamente, la herencia y la vida cotidiana crean juntas el comportamiento adolescente. En el nuevo estudio, los científicos reunieron datos de miles de niños del proyecto longitudinal ABCD.

Después de un infarto, la zona muerta del músculo cardíaco puede intentar reemplazarse con células vivas cultivadas a partir de células madre. Pero a menudo ocurre un contratiempo: el injerto recién colocado empieza a actuar como su propio marcapasos y el corazón se desvía de su ritmo correcto.

El médico sostiene un montón de análisis realizados en distintos momentos. Por separado, cada hoja es solo una fotografía de un día, pero uno quiere ver la película completa de cómo se desarrolló la enfermedad. La red neuronal Tempo aprende a unir esas tomas dispersas en una cinta fluida.

Cuando una persona respira, el aire no fluye de manera uniforme, sino en ondas. Antes, médicos y científicos solo observaban cifras generales: cuánto aire entraba en cada inhalación, cuál era el flujo máximo. Pero dentro de una sola inhalación hay matices: pequeños cambios que revelan el trabajo de nervios y músculos.

La mano descansa sobre la mesa y llegan dos vibraciones cortas a la muñeca, una tras otra. Hay que decir cuál es más fuerte. La tarea parece simple, pero la respuesta depende de cuál vibración fue primero. Si la primera es débil y la segunda fuerte, la diferencia parece mayor que cuando se invierten.

Cada latido del corazón se puede representar como un punto en una hoja de papel. Miles de esos puntos se funden en una nube. El algoritmo Mapper convierte esa nube en una red: conecta los puntos que se comportan de manera similar y los colorea según la fuerza del flujo sanguíneo.

Mantener en la cabeza un número de teléfono mientras lo marcas es memoria de trabajo. En el cerebro, esto lo hace un grupo de células que se envían señales entre sí, como personas que pasan un cubo por una cadena. Pero cada transmisión tiene un costo: se necesitan sustancias mediadoras que se agotan.

La música se sostiene sobre la repetición: esperamos que el acento vuelva, como vuelve el estribillo. Pero si se repite lo mismo durante demasiado tiempo, llega el aburrimiento. El compositor parece caminar sobre la cuerda floja entre lo familiar y lo inesperado. Los científicos tradujeron ese equilibrio al lenguaje de la física.

El patólogo tiñe una sección de tejido con hematoxilina y eosina: las células se tiñen de azul y rosa, y bajo el microscopio se ve su forma y disposición. Pero qué genes están activos en cada célula no se puede leer en esa imagen. Para eso se necesita un estudio aparte y costoso que muestra la actividad de miles de genes a la vez, pero se hace raramente.

Los microscopios modernos ven el cerebro con un detalle asombroso: no solo las sinapsis en sí, los puntos de contacto entre neuronas, sino también las moléculas que las componen. Cada vez hay más imágenes de este tipo y su costo disminuye.

Cada inhalación acelera ligeramente el corazón, y cada exhalación lo frena. Este ritmo, visible en el electrocardiograma, se conoce como arritmia respiratoria. Durante mucho tiempo se consideró un simple efecto secundario del sistema nervioso. Pero una nueva investigación muestra que esta coordinación no es casualidad, sino una forma de ahorrar energía.

Un trozo de masa, si se estira hacia los lados, no se estira de manera uniforme: en un punto se adelgaza y se rompe. El tejido vivo se comporta de manera similar, pero en lugar de una ruptura aparecen bandas de cizallamiento: zonas estrechas donde las células comienzan a deslizarse unas sobre otras, como las cartas de una baraja al cortarlas.

En lo profundo del cerebro hay una diminuta región: el núcleo supraquiasmático. Es el director que marca el ritmo de todo el organismo: cuándo dormir, cuándo despertar, cuándo liberar hormonas. Los científicos tomaron el mapa real de conexiones de esta región en un ratón e hicieron copias: una más grande y otra más pequeña.

Una partícula diminuta flota en un rayo láser, como una mota de polvo en la luz de una linterna. Las moléculas de agua la empujan constantemente, de forma desordenada y desde todas las direcciones. Normalmente, estos empujones estorban: la partícula se sacude y las mediciones precisas se convierten en una lotería.

El corazón no se contrae todo a la vez, sino en forma de onda: la señal eléctrica recorre el músculo y, tras ella, como un rizo en el agua, se propaga la contracción. En la arritmia, esa onda se desordena: en algún punto se retrasa, en otro se vuelve un bucle, y la bomba empieza a trabajar a destiempo.