El poder de las redes naturales está en exceso.

Las redes en bucle a menudo se encuentran en la naturaleza, por ejemplo, en las venas de una hoja de ficus sagrado

Considere los patrones de ramificación sutiles en una hoja de un árbol o el ala de una libélula, y verá redes complejas que consisten en bucles anidados. Tales patrones se pueden encontrar en todas partes, tanto en la naturaleza como en estructuras hechas por el hombre: en la vasculatura del cerebro, en el micelio, en la forma intrincada de un moco que se alimenta y en las ramas metálicas de la Torre Eiffel.



La arquitectura de red que incluye bucles, como redes informáticas redundantes o redes eléctricas, la hace resistente a daños. Marcelo Magnasco, físico de la Universidad Rockefeller, señala que la Torre Eiffel es un ejemplo obvio de una construcción de bucle diseñada para distribuir la carga de la manera más uniforme posible en su marco recursivo. Sorprendentemente, sabemos muy poco acerca de por qué las redes de venas foliares o los vasos sanguíneos corticales están organizados de la misma manera.


Las redes en bucle en las alas de libélula las hacen resistentes al daño

"Para nuestro disgusto, sabemos mucho sobre la física de los compuestos entre entidades", dice Magnasco sobre los sistemas circulatorios simples. - Y, sin embargo, no entendemos el sistema como un todo. No sabemos por qué se ven así o por qué cada árbol es diferente del resto ".

En los últimos años, Magnasco y otros científicos han comenzado a explorar la razón por la cual tales patrones son muy comunes en la naturaleza. Los estudios del suministro de hojas y sangre al cerebro han confirmado que los bucles anidados crean una estructura resistente al daño que puede hacer frente a las fluctuaciones en el flujo de fluidos. Ahora los científicos están comenzando a evaluar numéricamente las propiedades de estas redes, tener una idea de sus características principales, como la estabilidad, y también comprender cómo comparar estas redes de la manera más informativa posible.

"Las plantas son sistemas impresionantes para la investigación física porque son matemáticamente hermosas", dijo Eleni Katifori , física del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización, en colaboración con Magnasco. Según ella, las plantas crecen de forma iterativa y a menudo exhiben una estructura similar a los cristales, que se puede encontrar en ejemplos como conos o una flor de girasol. "Esperamos que al comprender la arquitectura de las venas, comprendamos mejor la eficacia fotosintética de las plantas".

Comprender la estructura de las venas puede arrojar luz sobre el sistema circulatorio mucho más complejo de la superficie del cerebro y ayudar a comprender la relación entre la actividad cerebral y el flujo sanguíneo. Esta conexión aún no está clara, pero gracias a ella, es posible llevar a cabo imágenes de resonancia magnética funcional, uno de los métodos más populares para obtener imágenes del cerebro.

Etiquetar estas redes puede ayudar a identificar partes del cerebro que son particularmente susceptibles a los derrames cerebrales, así como a comprender el papel del flujo sanguíneo en la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades cognitivas. "Imagine cómo observamos un cerebro enfermo y tratamos de determinar si alguno de estos parámetros fundamentales ha cambiado y cómo esto podría estar relacionado con el desarrollo de la enfermedad", dice David Boas , físico del Hospital de Massachusetts en Boston.


La babosa Physarum polycephalum forma redes en bucle cuando busca comida

Dado que los sistemas circulatorios pueden representarse como una red de tubos conectados, y los flujos de fluidos pueden calcularse gracias a ecuaciones conocidas desde hace mucho tiempo, los físicos pueden modelar fácilmente redes tan simples como las venas en las hojas de los árboles. Al estudiar tales sistemas, Magnasco espera entender por qué las venas tienen tal tamaño y ángulos de conexión, y cómo las estructuras de diferentes escalas trabajan juntas en una red.

Magnasco dice que los métodos de análisis de red que son fáciles de visualizar se pueden aplicar a redes biológicas que son más difíciles de modelar, por ejemplo, a redes web de interacciones de genes y proteínas, o a redes neuronales cerebrales. Las hojas son "un buen objeto de investigación porque no tienen dificultades inherentes a otras redes", dice Magnasco.

Cómo construir una hoja

Cuando se hace necesario construir una red efectiva, la evolución necesita considerar dos factores: el costo de construcción y el costo de operación de la red. En el caso de los vasos, esto significa el costo de crear venas y bombear fluidos a través de ellos. Lo más barato es operar con una estructura de árbol simple, que se puede encontrar en plantas antiguas. Esta estructura, aunque efectiva, no es muy estable. Si la conexión está dañada, parte del sistema sufre pérdida de fluido y muere .

Para comprender la topología de la arquitectura de vetas, Katifori y Magnasco construyeron un modelo de red simple, tratando de descubrir sus propiedades básicas . Modelaron vetas (xilema) en forma de una red de tuberías con diferentes presiones y flujos. Intentaron responder a la pregunta, ¿cómo, con un número limitado de tuberías, deberían distribuirse para minimizar la caída de presión y hacer que el sistema sea lo más resistente posible al daño? En el mundo real, "la hoja de la que se ha picado el insecto continúa funcionando", dice Katifori.

Descubrieron que la arquitectura de los bucles jerárquicamente anidados, es decir, bucles dentro de bucles dentro de bucles, es más resistente al daño que otros. "Los bucles agregan redundancia a la red", dice Katifori. "En caso de daños, el agua puede ser redirigida a través de otros canales". Las estructuras obtenidas por el modelo publicado en la revista PLoS ONE se parecen mucho a algunas hojas.


Los vasos sanguíneos en la superficie de la corteza del roedor forman redes en bucle, lo que permite que la sangre llegue rápidamente a cualquier área incluso después de un daño menor

Sorprendentes disparos de fluido fluorescente que fluye sobre hojas dañadas ayudaron a los investigadores a describir cuantitativamente cómo fluye el agua alrededor del sitio del daño. Una hoja de un Ginkgo biloba (Ginkgo bilŏba), una planta evolutivamente antigua con una estructura similar a un árbol en lugar de un lazo, no puede presumir de tal resistencia.

Los investigadores también encontraron que las redes en bucle enfrentan mejor las fluctuaciones en la circulación de fluidos a medida que cambian las condiciones ambientales.

Katifori y Mgnasco ahora modelan redes de bucle adaptativo que evolucionan en respuesta a las condiciones cambiantes. Tales procesos pueden ocurrir en hongos, algunos tipos de moho e incluso en el sistema circulatorio en desarrollo de los animales. Por ejemplo, la mucosidad en busca de alimento cambia constantemente de forma, estira los dedos largos, a menudo en forma de redes enrolladas. En un experimento sorprendente, los investigadores japoneses cultivaron un moco en una superficie salpicada de avena esparcida por las ciudades de Tokio. Como resultado, el limo se convierte en una red en bucle que se asemeja a un sistema ferroviario urbano eficiente.

Marcado de vasos sanguíneos

La circulación sanguínea efectiva es necesaria para el funcionamiento del cerebro, que no tiene mecanismos para la conservación de la energía: las neuronas eléctricamente activas deben alimentarse rápidamente. Como resultado, el cerebro participa en la regulación precisa del flujo sanguíneo y aumenta el suministro de sangre a las áreas necesitadas. "Este ajuste preciso del flujo sanguíneo es muy local, mucho más pequeño que las dimensiones milimétricas", dice Bruno Weber , neurocientífico de la Universidad de Zúrich.

Hace más de diez años, Daffyd Kleinfield , físico y neurocientífico de la Universidad de California, San Diego, y sus colegas descubrieron que podían rastrear la circulación sanguínea en capilares individuales de cerebro de roedor. Descubrieron que el flujo sanguíneo a veces cambia de dirección, lo que habla a favor de una estructura vascular en bucle. "Hubo una pista de que el sistema circulatorio sería más interesante de lo que pensaba al principio", dice Kleinfield.


En el mapa de vasos sanguíneos en la corteza cerebral del roedor, el bucle de red es visible. También se ve que la arquitectura de los vasos sanguíneos no corresponde a la neuroanatomía (conos amarillos y naranjas)

Hace unos años, el equipo de Kleinfield descubrió que el sistema circulatorio superficial de la corteza somatosensorial, la parte del cerebro que se activa cuando el animal usa su bigote para orientarse en el espacio, está organizado en forma de bucles interconectados ubicados al azar . Esto permite que la sangre se acerque a un área determinada desde todas las direcciones, lo que proporciona a las neuronas la nutrición necesaria. "Si los bucles están conectados aleatoriamente en una red bidimensional, la sangre puede acercarse radialmente al área eléctricamente activa", dice Kleinfield.

En 2010, los investigadores marcaron una red de vasos que cubren la superficie de la neocorteza en ratas y ratones, la capa externa de la corteza cerebral. "Sospechábamos que formaba una red de malla, así que llenamos el sistema circulatorio y marcamos la superficie", dice Kleinfield. "La mayoría de los buques formaron una arquitectura de bucle". Los científicos sospecharon que la red tenía cierto nivel de redundancia, pero el equipo de Kleinfield alcanzó un nuevo nivel de detalle. "Fuimos los primeros en marcar todo y acercarnos a la topología: describir numéricamente la red y usarla para calcular los flujos", dice Kleinfield.


Delta del Ganges forma una intrincada red de bucles

Los investigadores utilizaron esta tarjeta de conectividad para simular una situación en la que un barco en la red está bloqueado. Tanto en el modelo como en el cerebro real, bloquear un vaso en una cuadrícula bidimensional no tuvo un efecto particular. La sangre simplemente fluye a través de otros vasos. Este hallazgo es respaldado por la práctica clínica: los accidentes cerebrovasculares nunca ocurren en la superficie del cerebro. "Creemos que esto se debe a que funciona así", dice Kleinfield.

Luego Kleinfield y sus colegas entraron en las profundidades del cerebro, estudiando la red de vasos sanguíneos que alimentan las neuronas de la corteza somatosensorial. En un artículo publicado en la revista Nature Neuroscience, los investigadores mostraron que los capilares forman una red continua. "Esto significa que los microvasos, los capilares, están interconectados", dice Kleinfield. "No hay sitios con embarcaciones aisladas, es decir, aldeas cerradas, si se usa la analogía con los bienes raíces".

Los investigadores utilizaron un enfoque de los mecanismos estadísticos llamado "teoría de grafos" para descubrir por qué los vasos forman redes en las que exactamente tres bordes convergen en cada vértice; esto se observó previamente en el laboratorio (los vasos juegan el papel de bordes). El colega de Kleinfield, el físico Harry Suhl de la Universidad de California en San Diego, ha demostrado que este esquema es particularmente robusto. "Especialmente en comparación con los gráficos donde el número de bordes en la parte superior no es fijo, como es el caso en Internet", dice Kleinfield.

Como en el caso de la red de superficie, el bloqueo del flujo sanguíneo en los capilares prácticamente no afecta el funcionamiento de la red: la sangre simplemente toma un camino diferente. Sin embargo, el bloqueo de un vaso penetrante desde la superficie de la corteza cerebral hasta el cerebro ocurre con graves consecuencias. El flujo sanguíneo se bloquea y el tejido cerebral circundante muere. Los vasos penetrantes están bloqueados porque no forman bucles, pero Kleinfield sospecha que la arquitectura proporciona formas efectivas de redistribuir la sangre a través de ciertas vías en el cerebro.


Las redes de bucle también se encuentran en animales marinos, por ejemplo, en este coral gorgonias

Lo que esto significa clínicamente aún no está claro. Los neurocientíficos no informan los accidentes cerebrovasculares que se han producido debido al bloqueo de los vasos penetrantes, pero esto es solo porque los vasos son demasiado pequeños para ser examinados con dispositivos de imagen convencionales, y es poco probable que solo puedan causar síntomas. Sin embargo, Geert Jan Biessels , neurocientífico del Centro Médico de la Universidad de Utrecht, dice que las nuevas y más potentes tecnologías de imágenes cerebrales permiten detectar lesiones muy pequeñas, aunque aún no con ese permiso, para ver los vasos penetrantes individuales. . Agrega que los datos de la autopsia muestran que tales microscopios "pueden ser un signo importante de deterioro cognitivo y demencia varios años antes de la muerte".

Bucles en el cerebro

Habiendo adquirido nuevas herramientas para marcar el sistema circulatorio sanguíneo del cerebro, el equipo de Kleinfield planea estudiar cómo el sistema circulatorio del cerebro difiere en roedores con ciertas mutaciones, o de otras especies. "Ahora podemos comenzar a estudiar los diversos sistemas circulatorios y determinar por qué resultan como son", dice Kleinfield.

Un estudio preliminar de ratones sin proteínas, que es responsable del reconocimiento de oxígeno, revela estructuras radicalmente alteradas: a diferencia de los animales comunes, los ratones mutantes no tienen una red bidimensional de vasos en la superficie del cerebro. "Solo hay una estructura tridimensional", dice Kleinfield. "Es como la máquina de Roub Goldberg , que consiste en pequeños tubos".

Weber y Kleinfield están trabajando juntos en un proyecto para marcar todo el sistema circulatorio en el cerebro del ratón, financiado por el proyecto europeo " The Human Brain Project " [ Proyecto del cerebro humano ]. Weber dice que este mapa permitirá construir modelos más precisos y proporcionará la base para lograr el objetivo de construir un mapa cerebral completo. También permitirá a los investigadores descubrir si ciertas partes del cerebro son susceptibles a los accidentes cerebrovasculares (por ejemplo, el cuerpo estriado , que está planificando la actividad motora) debido a la débil relación de su sistema circulatorio.

Los investigadores también están comenzando a estudiar los sistemas circulatorios de otras partes del cuerpo. Lance Munn, biólogo del Hospital General de Massachusetts, dice que la mayoría de los tejidos muestran una redundancia significativa en forma de bucles. "Por ejemplo, en la piel, estos bucles proporcionan vías alternativas para la sangre en caso de daño: la sangre puede" rodear "el área para llegar al tejido ubicado" aguas abajo "de los vasos dañados", dice. Mans estudia las propiedades de los vasos sanguíneos en los tumores en los que crece una red desarrollada de vasos que alimentan el tejido canceroso. Una clase popular de medicamentos, los inhibidores angiogénicos , detienen el crecimiento de tumores e interfieren con la formación de nuevos vasos.

Kleinfield utiliza herramientas desarrolladas para estudiar los circuitos sanguíneos para estudiar las redes neuronales en el tronco encefálico , por ejemplo, bucles sensoriomotores que controlan el movimiento de los bigotes en los ratones y obtienen información. Aunque "los sistemas circulatorios en sí mismos son interesantes", dice Kleinfield, también sirven como "calentamiento para estudiar el sistema nervioso".