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Experimentos con el sistema nervioso de Caenorhabditis elegans

Fernando P.    09/02/2018

Temas:  Actualidad    Divulgación    Inteligencia Artificial y Biología

Caenorhabditis elegans es un pequeño nemátodo transparente que vive en libertad en ambientes templados. Es un organismo que ha sido estudiado de forma exhaustiva por la Biología desde hace décadas. A día de hoy es el único organismo para el que su sistema nervioso está complétamente cartografiado. La mayor parte de individuos de Caenorhabditis elegans son hermafroditas y su sistema nervioso tiene exactamente 302 neuronas conectadas por unos pocos miles de sinápsis.

Se conoce el funcionamiento de todos los subsistemas que componen el sistema nervioso de Caenorhabditis elegans. Uno de ellos consiste en un mecanismo relativamente simple que reacciona cuando algo roza el cuerpo del individuo e insta a su mecanismo motor para alejarse del estímulo. Este mecanismo es sorprendentemente capaz y recientemente se ha sugerido que podría ser reprogramado para ejercer tareas de control que no tienen nada que ver con Caenorhabditis elegans.

Caenorhabditis elegans y la Inteligencia Artificial
Realmente, puede parecer un sinsentido ponerse a hablar sobre una minúscula lombriz en un espacio dedicado a la Inteligencia Artificial. Pero a veces las cosas muy complicadas deben construirse poco a poco, empezando con cosas muy sencillas.

Los modelos biológicos de sistemas nerviosos han sido desde el inicio una fuente de inspiración e imitación para la Inteligencia Artificial. Ya hemos hablado aquí sobre el neocortex humano como fuente de inspiración para crear sistemas artificiales que emulen su capacidad de reconocer patrones. También hemos hablado de la neurona artificial como simplificación de las neuronas que se encuentran en los sistemas nerviosos biológicos.

A pesar de enormes esfuerzos que se están haciendo en proyectos del tipo Blue Brain, la comprensión que tenemos sobre el funcionamiento de algo tan complejo como el cerebro de un mamífero sigue siendo muy limitada. Se conocen muchas cosas y muchos detalles, pero integrar todo ese conocimiento para comprender cómo funciona un cerebro a alto nivel sigue siendo algo que se nos escapa, básicamente por la inmensa complejidad inherente.

Pero los sistemas nerviosos de todos los organismos conocidos son muy similares en sus cuestiones básicas, la selección natural no se ha dedicado a diseñar sistemas nerviosos distintos para cada nueva especie que aparecía, no es así como funciona la selección natural.

Así que, en vez de tratar de entender cómo funciona un monstruo de miles de millones de neuronas, igual podemos empezar con algo que sólo tiene 302 neuronas, que son las neuronas que tiene un individuo hermafrodita de Caenorhabditis elegans.

¿ Qué se puede hacer con 302 neuronas ?
Cuando pensamos que nuestro cerebro tiene miles de millones de neuronas o que se han construido redes neuronales artificiales para reconocimiento de imágenes que tienen muchos miles de neuronas artificiales, puede parecer que 302 neuronas son muy poca cosa.
Experimentos con el sistema nervioso de Caenorhabditis elegans
Esas 302 neuronas son el resultado de cientos de millones de años de evolución para conseguir un organismo visible a simple vista que puede alimentarse, moverse y reproducirse por sí mismo. Algo que con toda nuestra tecnología no podríamos crear fácilmente.

Lo más interesante de esas 302 neuronas es que están configuradas con conexiones fijas, no hay posibilidad de modificar conexiones entre neuronas. Es como un circuito electrónico cuyos planos van en el ADN de cada lombriz y todas terminan teniendo exactamente el mismo sistema nervioso, sin posibilidad de aprender nada nuevo, algo que no les hace falta para seguir habitando este planeta.

De forma que esas 302 neuronas están organizadas en algo que seguramente esté muy cerca de ser la solución óptima al problema de configurar un sistema nervioso con mínimo tamaño y máxima eficacia para las funciones que se esperan de nuestra pequeña lombriz. Un problema extraordinariamente difícil de resolver y que ha llevado cientos de millones de años al proceso implacable de la selección natural.

El mecanismo de roce en Caenorhabditis elegans
Uno de los subsistemas que componen el sistema nervioso de Caenorhabditis elegans consiste en varias neuronas que son capaces de detectar cuando el cuerpo de la lombriz roza o choca con algo. La respuesta de estas neuronas es procesada por un puñado de neuronas intermedias que pueden instar a otro grupo de neuronas para que pongan en marcha el mecanismo de movimiento de la lombriz, de forma que esta pueda alejarse del objeto que ha tocado.

En conjunto, se trata de un mecanismo simple, que tiene tres partes:

Se conocen todas las conexiones entre todas estas neuronas, se trata de un mecanismo bien definido dentro del sistema nervioso de Caenorhabditis elegans. Este mecanismo se describe como Gentle (low threshold) body touch en el atlas del sistema nervioso de Caenorhabditis elegans.

Es un mecanismo lo suficientemente simple para ser fácil de manejar y para tratar de averiguar su verdaderas posibilidades.

Simulando el mecanismo de roce en Caenorhabditis elegans
Un grupo de investigadores de la Technische Universität Wien en Austria han tomado los planos del mecanismo de roce en Caenorhabditis elegans y lo han simulado en un computador.

Esta simulación no tiene nada que ver con redes basadas en neuronas artificiales, que son una simplificación bastante tosca de lo que viene a ser una neurona real.

Las neuronas de nuestra lombriz se han simulado como si fueran componentes de un circuito electrónico (que es lo que vienen a ser) y se han usado ecuaciones diferenciales sencillas para modelizar la respuesta de cada neurona.

Las ecuaciones diferenciales modelizan cada neurona de forma contínua en el tiempo y en los valores de potencial eléctrico que hay en cada momento en todas las conexiones entre las neuronas. Se trata de una aproximación bastante exacta, pero muy pesada computacionalmente e inviable para sistemas que tengan muchas neuronas.

Las ecuaciones que modelizan cada neurona tienen varios parámetros, así que el sistema, en conjunto, tiene una buena cantidad de parámetros que, bien escogidos, son los que determinan el comportamiento exacto de todo el mecanismo. En Caenorhabditis elegans estos parámetros están básicamente fijados desde su ADN y eso es lo que hace que el mecanismo de 81 neuronas funcione en la forma esperada.

Pero la cuestión es:

¿ Se puede reprogramar el mecanismo de roce para que puede hacer otras tareas ?

Naturalmente, no hablamos de modificar individuos reales de Caenorhabditis elegans, sino de trastear con la simulación de su subsistema nervioso para ver si es posible dar con un juego de parámetros que consigan que el mecanismo de roce realice una tarea distinta.

El problema de controlar un péndulo invertido
Un péndulo invertido es un objeto recto, rígido que debe mantenerse vertical a pesar de tener la mayor parte de su masa en la parte superior. Controlar un péndulo invertido consiste en ser capaces de mantenerlo vertical aunque esté en movimiento y/o sujeto a aceleraciones. Un ejemplo sencillo de esto puede ser intentar mantener vertical un martillo sobre la palma de la mano (con el mango del martillo reposando en la mano).

Se trata de un problema clásico en la teoría de control, no es muy complicado pero no es trivial construir un dispositivo que pueda hacerlo.

La idea de los investigadores de la Technische Universität Wien consiste en adaptar el mecanismo de roce de Caenorhabditis elegans para ver si podría usarse como control de un péndulo invertido. Para ello han hecho dos simplificaciones en la red neuronal del mecanismo de roce

La primera simplificación tiene como objetivo adaptar las 6 neuronas sensoriales a otras que puedan detectar ángulo y velocidad angular del péndulo. La segunda reduce las 69 neuronas motoras a 2 para controlar un motor ficticio que será el que moverá a un lado y a otro todo el mecanismo para tratar de mantener equilibrado el péndulo en un plano.

El nuevo mecanismo tiene como objetivo evitar que el ángulo del péndulo con la vertical sea demasiado grande o crezca demasiado deprisa (lo que haría complicado mover fácilmente todo el mecanismo para reequilibrar el péndulo). Usando esta función objetivo, han planteado un proceso iterativo de búsqueda de los parámetros para toda la red neuronal. Los detalles del proceso pueden verse en el artículo original.

Resultado del experimento
Efectivamente, al final del proceso iterativo descrito, los investigadores dieron con un conjunto de parámetros para la red neuronal modificada que hacían que esta fuera capaz de controlar un péndulo invertido.

Soluciones al problema de controlar un péndulo invertido ya existen desde hace mucho, esto no es ninguna novedad. Lo interesante de todo este asunto radica en que la configuración del mecanismo de roce en Caenorhabditis elegans permite resolver otros problemas para los que este ha sido creado.

Una explicación para esto puede ser la afición de la selección natural a reutilizar con otros fines mecanismos que se crearon con un fin concreto. De esta forma, sin saberlo, puede suceder que la selección natural haya ido creando cada vez mecanismos más generales y más abstractos.

Podría ser que un cerebro humano sea la máxima expresión de este proceso de abstracción progresiva, partiendo de mecanismos relativamente bien definidos para que puedan ser reutilizados en condiciones más exigentes. Si un puñado de neuronas en una lombriz tienen capacidad de ser reprogramadas para hacer cosas completamente nuevas ...

¿ Qué no podrán hacer miles de millones de neuronas en un cerebro humano ?

Si de verdad queremos emular los modelos biológicos, debemos entender bien por qué funcionan tan bien y son tan flexibles estos mecanismos tan sencillos, que constan de un puñado de neuronas, antes de intentar ponernos a simular un cerebro completo que, además, se configura de forma dinámica a lo largo de la vida de cada individuo.



El sencillo sistema nervioso de Caenorhabditis elegans es una magnífica oportunidad para entender cómo la selección natural ha sabido crear y evolucionar sistemas nerviosos desde organismos muy sencillos hasta los seres humanos.



Para saber más:

Anuncio de Technische Universität Wien sobre la investigación descrita para reprogramar el mecanismo de roce en Caenorhabditis elegans de forma que pueda ser capaz de controlar un péndulo invertido.

Artículo original en formato PDF con la descripción de la investigación descrita llevada a cabo en Technische Universität Wien para reprogramar el mecanismo de roce en Caenorhabditis elegans de forma que pueda ser capaz de controlar un péndulo invertido.

Sitio web que contiene el atlas del sistema nervioso para Caenorhabditis elegans. La página enlazada es la descripción general del sistema nervioso de los individuos hermafroditas.



 

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