A la recerca d'una teoria general del comportament crític dels sistemes biològics
És possible descriure el funcionament del cervell i la cèl·lula amb les mateixes lleis matemàtiques que regulen una senzilla pila de sorra? Gra a gra, la sorra s'acumula. Amb el temps, el creixement de la pila arriba a un punt crític en què és tan inestable que el següent gra pot causar el seu col·lapse. És a través d'aquesta sèrie d'allaus de diverses mides que la pila de sorra - un sistema complex de milions d'elements - pot mantenir l'estabilitat general. Estudis empírics i teòrics suggereixen que les xarxes biològiques quan operen al llindar d'aquesta criticalitat milloren la seva funcionalitat en termes de processament de la informació, robustesa i capacitat d'evolució.
Malgrat que alguns estudis han intentat explicar la criticalitat d'acord a característiques específiques del sistema, encara manca una teoria general del comportament crític en els sistemes biològics.
En un estudi publicat recentment a la revista Frontiers in Physiology, en què han participat Sergi Valverde, professor visitant del Departament de Ciències Experimentals i de la Salut i membre del Laboratori de Sistemes Complexos de l' Institut de Biologia Evolutiva (UPF-CSIC), i Jordi García-Ojalvo, investigador del Departament de Ciències Experimentals i de la Salut (CEXS) de la UPF, entre d'altres autors, s'afronta aquest problema des de la perspectiva dels sistemes complexos, ja que molts sistemes biològics tenen en comú que la seva organització interna es pot descriure com una xarxa complexa.
En aquest treball els autors revisen i debaten els recents avenços publicats sobre criticalitat de les xarxes neuronals i gèniques, i reflexionen sobre les implicacions de la teoria de xarxes en les característiques evolutives de la criticalitat.
Criticalitat de les xarxes biològiques
El cervell és una màquina increïblement complexa que conté de l'ordre de 10 9 neurones i cadascuna de les neurones es connecta a milers d'altres neurones. Totes les interaccions donen lloc al procés emergent conegut com consciencia. Com han comentat Valverde i García Ojalvo, "l'activitat elèctrica de les xarxes neuronals oscil·la entre períodes de calma i allaus - de la mateixa manera que els grans a la pila de sorra - perquè el cervell està situat en el precari equilibri d'aquest punt crític", i ha afegit "quan ens allunyem de l' estat de criticalitat, el sistema perd flexibilitat i adaptabilitat, ja que no pot operar a diferents escales temporals i es torna més rígid. Una millor comprensió de quina és la relació entre les propietats estructurals i la dinàmica crítica ens pot ajudar a entendre que succeeix quan el cervell no funciona bé (per exemple, per culpa de lesions i alteracions anatòmiques). Una situació similar es produeix a les xarxes de proteïnes que regulen el comportament de qualsevol tipus de cèl·lula".
Les xarxes biològiques difereixen dels sistemes físics
Els autors conclouen que les xarxes biològiques mostren importants diferències amb els sistemes físics. D'entrada, els elements de les xarxes biològiques (neurones al cervell o proteïnes a una cèl·lula) són molt diferents entre sí. Així mateix, els sistemes biològics operen habitualment lluny de l'equilibri termodinàmic, i en múltiples escales de temps molt diverses. Totes aquestes característiques diferencials suggereixen que la noció de criticalitat, tal i com està definida en la física estadística, podria ser insuficient en el context dels sistemes realment complexos, com ara el cervell o fins i tot una "simple" cèl·lula.
Treball de referència:
Sergi Valverde, Sebastian Ohse, Malgorzata Turalska, Bruce J. West i Jordi García-Ojalvo (2015), " Structural Determinants of Criticality in Biological Networks", Frontiers in Physiology, doi: 10.3389/fphys.2015.00127.
Altres e-notícies de recerca relacionades:
Es comporten les cèl·lules tumorals com en el curiós cas de Benjamin Button?