p. gran cerebro monografia
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INDICE
INTRODUCCION
1. Proyecto: Gran Cerebro
1.1. Objetivo
1.2. ¿Quiénes empezaron?
1.2.1. Socios del proyecto
1.3. ¿Existen otros?
1.4. ¿Qué tiempo duro?
1.5. Finalidad
1.6. Conclusión del Proyecto
2. La Neuroinformática
3. Procesamiento de imagen digital
INTRODUCCION
Es un macroproyecto europeo que pretende abarcar desde áreas
multidisciplinares como la forma en que funciona el cerebro y por qué se producen
determinadas patologías.
El objetivo es promover investigaciones revolucionarias y con visión de futuro, con
potencial para generar grandes avances en tecnologías de la información y las
comunicaciones, que aporten soluciones a la industria y a algunos de los
principales retos sociales a los que se enfrenta la sociedad
1. PROYECTO: GRAN CEREBRO
El Proyecto Cerebro Humano - The Human Brain Project (HBP) lo proponen un
grupo de socios de Suiza, Alemania, Suecia, Reino Unido, Francia, España,
Países Bajos, Italia, Austria, Polonia y otros países europeos y no europeos, que
trabajarán junto con representantes de las actuales iniciativas a gran escala de la
neurociencia, la supercomputación, la medicina, tecnologías de la información y
las comunicaciones (TIC) inspiradas en el cerebro y la robótica, una amplia gama
de empresas farmacéuticas, biotecnológicas e informáticas, y hospitales, centros
de salud y clínicas relevantes de todo el mundo.
Los beneficios para la sociedad derivados del HBP serán enormes. Incluso antes
de que el proyecto logre sus objetivos finales, los modelos del cerebro del HBP
revolucionarán la tecnología de la información, haciendo posible el diseño de
ordenadores, robots, sensores y otros dispositivos mucho más eficaces, más
inteligentes y de mayor eficiencia energética que los actuales. Los modelos del
cerebro nos ayudarán a entender las causas de las enfermedades del cerebro y
en su diagnóstico temprano, cuando todavía se puede tratar. Será más fácil el
desarrollo de nuevas curas para las enfermedades del cerebro, reduciendo
nuestra dependencia de los ensayos con animales. Dichos modelos nos ayudarán
a comprender cómo envejece el cerebro, cómo ralentizar estos cambios y cómo
promover un cerebro sano para nuestros hijos. En resumen, el HBP producirá
avances espectaculares en la tecnología, una nueva comprensión de la forma en
que funciona el cerebro y una nueva capacidad para curar sus enfermedades.
Los beneficios para la sociedad derivados del HBP serán enormes. Incluso antes
de que el proyecto logre sus objetivos finales, los modelos del cerebro del HBP
revolucionarán la tecnología de la información, haciendo posible el diseño de
ordenadores, robots, sensores y otros dispositivos mucho más eficaces, más
inteligentes y de mayor eficiencia energética que los actuales. Los modelos del
cerebro nos ayudarán a entender las causas de las enfermedades del cerebro y
en su diagnóstico temprano, cuando todavía se puede tratar. Será más fácil el
desarrollo de nuevas curas para las enfermedades del cerebro, reduciendo
nuestra dependencia de los ensayos con animales. Dichos modelos nos ayudarán
a comprender cómo envejece el cerebro, cómo ralentizar estos cambios y cómo
promover un cerebro sano para nuestros hijos. En resumen, el HBP producirá
avances espectaculares en la tecnología, una nueva comprensión de la forma en
que funciona el cerebro y una nueva capacidad para curar sus enfermedades.
1.1. OBJETIVO
El objetivo del Proyecto Cerebro Humano - The Human Brain Project (HBP) es
construir simulaciones detalladas desde el punto de vista biológico del cerebro
humano completo, así como la creación de tecnologías de supercomputación,
modelización e informáticas necesarias para llevarlo a cabo. Las simulaciones
creadas por el proyecto servirán como base para nuevas herramientas de
diagnóstico y tratamientos para enfermedades del cerebro, nuevas tecnologías en
prótesis para personas con discapacidad, una nueva clase de tecnologías de la
información de baja energía con una inteligencia similar a la del cerebro y una
nueva generación de robots inteligentes.
El cerebro humano se puede ver como un equipo inmensamente eficaz de auto-
aprendizaje, de auto-reparación, y de eficiencia energética. Si pudiéramos
entender e imitar la forma en que funciona el cerebro, podríamos revolucionar la
tecnología de la información, la medicina y la sociedad. Esto es lo que el HBP
pretende alcanzar. Para ello, reunirá todo lo que sabemos y todo lo que podemos
aprender acerca del funcionamiento interno de las moléculas del cerebro, las
células y los circuitos, recopilará el conocimiento en bases de datos masivas, y lo
utilizará para crear simulaciones detalladas desde el punto de vista biológico del
cerebro humano completo.
1.2. ¿QUIÉNES EMPEZARON?
«El cerebro se estudia desde hace más de 200 años y el número de artículos
científicos sobre el mismo es de 10 millones; en diez años habrá 100 millones. Sin
embargo, aún no tenemos una visión general de cómo es ese órgano», explica. El
científico cree que ahora es el momento de realizar ese trabajo, para lo que
pretenden crear ocho nuevas infraestructuras tecnológicas de primerísimo nivel.
El siglo XX vio nacer la neurociencia moderna de la mano de Santiago Ramón y
Cajal. Se puede considerar el siglo de las luces de la neurociencia. Por una parte
se sentaron las bases anatómicas de la estructura del sistema nervioso y se
determinaron los pilares fundamentales para la compresión del funcionamiento
cerebral. Existe una ingente cantidad de datos sobre la disposición, estructura y el
funcionamiento de las neuronas, cómo se comunican, los neurotransmisores que
usan en su diálogo perpetuo, los receptores que estos activan, cómo se disponen,
cuál es su biología, etc. No es cierto que sepamos poco sobre el cerebro, como
habitualmente se dice; sabemos mucho, pero el problema de su entendimiento
total es tan magno que nos queda aún una larga travesía para entender cómo se
generan los aspectos más emergentes de esa intrincada red de 80 000 millones
de neuronas que conforman el cerebro humano.
El siglo XXI está asistiendo a la solución de varios retos planteados en torno al
conocimiento del cerebro y el progreso en la comprensión del mismo está, a mi
entender, progresando aceleradamente. A ello están contribuyendo varios
aspectos fundamentales. Por un lado, la incorporación de varias disciplinas
científicas al conjunto de la neurociencia. La informática, la psicología, la biología
molecular, la bioquímica, la óptica, etc., se han convertido en ciencias que invaden
y fecundan el campo de la neurociencia, clásicamente dependiente de disciplinas
más básicas como la anatomía y la fisiología. Incluso la química se incorpora para
ayudar a mejorar la observación del cerebro y sus estructuras. Como ejemplos,
sirva pensar en el desarrollo de la microscopía super resolutiva (Schermelleh et
al., 2010), objeto del último premio Nobel de Química o el desarrollo recientísimo
de la microscopía expansiva (Chen et al., 2015), técnica que permite expandir
hasta 5 veces de manera isotrópica el cerebro (sería como llevar un cerebro de
rata al tamaño de una mandarina) aumentando la resolución y la capacidad de
visionado tridimensional de estructuras y circuitos aprovechando otra técnica de
desarrollo reciente (CLARITY; Chung et al., 2013) con la que el cerebro se hace
totalmente transparente. Esta tiene gran importancia, pues permite no prescindir
de la tridimensionalidad en un órgano donde la misma es tremendamente
importante.
1.2.1. Socios del proyecto
El Proyecto Cerebro Humano - The Human Brain Project (HBP) cuenta con los
siguientes socios:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza) Universidad Politécnica de Madrid (España) Heidelberg University (Alemania) Forschungszentrum Jülich GmbH (Alemania) Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (Suiza) Karolinska Institutet (Suecia) Wellcome Trust Sanger Institute, Genome Research Limited – Genes to
Cognition (Reino Unido) Technische Universität München - Fortiss GmBH (Alemania) IMEC (Bélgica) Hebrew University (Israel) Institut Pasteur (Francia) Innsbruck Medical University (Austria) Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Francia)
1.3. ¿EXISTEN OTROS?
La participación española
El proyecto ha iniciado en el mes de octubre su primera fase, que tiene como
objetivo la creación de un modelo computacional detallado del cerebro que permita
a los investigadores entender su funcionamiento y abordar una fase posterior que
sería el tratamiento de enfermedades. En concreto, para realizar este modelo por
ordenador, se necesitarán computadores que sean 100 veces más potentes que
los actuales.
En un principio, el proyecto se basa en seis plataformas de investigación, entre las
que se encuentra la neuroinfomática, la estimulación neurológica, la computación
de alto desarrollo, el hardware neuromórfico, la informática médica y la
neurorobótica. El objetivo es que todo esté listo en el año 2016.
En los próximos 30 meses, participarán 109 instituciones de investigación
mundiales de las que siete son españolas. En concreto, se trata de la Universidad
Politécnica de Madrid (UPM), el Centro Nacional de Supercomputación (BSC), la
universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Universidad de Barcelona (UB), la
Universidad Complutense de Madrid (UCM), la Universidad Rey Juan Carlos
(URJC) y la Universidad de Granada (UGR), así como diez laboratorios de
investigación y siete organizaciones científicas.
La participación española también aporta el liderazgo de uno de los 13
subproyectos en los que está dividida la iniciativa. Esta se coordina desde el
laboratorio conjunto UPM-CSIS Laboratorio Cajal de Circuitos Corticales del
Centro de Tecnología Biométrica de la UPM y trata de obtener datos estratégicos
de las células y moléculas del cerebro del ratón para alinearlos con la información
del cerebro humano.
Human Brain Project quiere tener en esta primera fase un trozo de corteza
cerebral en silicio, un objetivo que están a punto de conseguir, pues ya cuentan
con una columna simulada de más de 100.000 neuronas que se irá ampliando
hasta obtener la corteza íntegra.
1.4. ¿QUÉ TIEMPO DURO?
El estudio del cerebro y su entendimiento se presenta como el gran reto del
siglo XXI. El impacto que la resolución de las complejas tareas cerebrales ha de
tener en el futuro de la sociedad es incuestionable.
La capacidad para simular el cerebro con gran detalle crecerá conforme lo haga
la potencia de los ordenadores. La simulación digital de una porción cilíndrica
de la corteza digital se materializó en 2008, cuando los ordenadores alcanzaron
la velocidad de varios “teraflops”. A medida que se alcancen “petaflops” y
“exaflops” (trillones de operaciones por segundo), los expertos del Proyecto
Cerebro Humano consideran que podrá simularse el cerebro completo de un
ratón y, después, uno humano
1.5. FINALIDAD
El resultado final dependerá en gran medida de los progresos de la
“neuroinfomática”, de modo que será necesario “poner en común” la ingente
cantidad de datos que se generan en todo el mundo, a fin de extraer “patrones”
y “reglas” que describan su organización.
Los procesos biológicos descritos por esas reglas deberán volverse a formular
en términos de ecuaciones, cuya resolución requerirá ordenadores, programas
y algoritmos adecuados.
Además habrá de crearse un “código informático” capaz de simular un cerebro
de acuerdo con todas sus peculiaridades biológicas. Uno de los objetivos
actuales consiste predecir la estructura y comportamiento de las distintas
variedades neuronales, a partir de lo que conocemos sobre sus genes y las
proteínas que estos codifican.
Otro tema de interés es el correspondiente a la relación entre “mutaciones
genéticas” y “enfermedades”. Las mutaciones modifican la síntesis de
proteínas. Ello, a su vez, afecta a la geometría y propiedades eléctricas de las
neuronas, las sinapsis y la actividad eléctrica en el entorno. Esto se transmite
después como una onda a través de toda una región cerebral.
Se piensa en programar una mutación y estudiar cómo influye sobre cada
eslabón de la cadena. Si los síntomas resultantes coinciden con los que se
observan en la realidad, dicha cadena virtual de acontecimientos se convertirá
en una buena candidata para describir la enfermedad y permitiría investigar
dianas terapéuticas concretas.
Este proceso es repetitivo. Incorporar toda la información disponible. Programar
modelos de acuerdo las reglas biológicas conocidas. Ejecutar la simulación y,
finalmente, comparar resultados (comportamiento de proteínas, células y
circuitos cerebrales) con los datos experimentales.
Si no coinciden, se volverá al punto de partida para comprobar la información
de partida o afinar las reglas. Si encajan, se introducen datos adicionales, se
añaden más detalles y se extendería el modelo a una porción más amplia del
cerebro.
A medida que los programas informáticos mejoren, la integración de los datos
será más rápida y automática y el modelo se asemejará más a su versión
biológica. De esta manera la “modelización” del cerebro completo, aún cuando
nuestro conocimiento de células y sinapsis sea todavía deficiente, parece
realizable.
El Proyecto Cerebro Humano pretende crear una simulación de 89.000 millones de neuronas y los 100 billones de conexiones que las unen. Una “copia virtual” que permitiría investigar las neuronas y los circuitos cerebrales, así como realizar ensayos farmacológicos virtuales. El proyecto “modernizaría” las funciones cerebrales a todos los niveles, desde el molecular y bioeléctrico, hasta los rasgos cognitivos que nos hacen inteligentes.
FINALIDAD AYUDA
A
NEUROCIENCIA
MEDICINAINFORMATICA
2. LA NEUROINFORMÁTICA
Para comprender el funcionamiento del cerebro es necesario integrar la
información desde el nivel de los genes hasta el del comportamiento. En cada uno
de estos múltiples niveles ha ocurrido una explosión de la información. El CNC
cuenta con una red de área local, que posee más de 100 estaciones de trabajo y
aproximadamente 150 usuarios, además de una conexión con Internet, lo que
posibilita el intercambio de información con otros especialistas del resto del
mundo. Estos usuarios son investigadores relacionados con el campo de la
Neurociencia o personas cuyas responsabilidades implican conocer los problemas
que sufre la sociedad cubana en esta rama, para darles solución.
Una de las tareas principales que acomete el CNC en los últimos tiempos es la
relacionada con las investigaciones de enfermedades neurológicas que afectan
muy seriamente a la población cubana. Es del criterio de varios investigadores a
nivel mundial que se hace necesario la creación de bases de datos para estos
estudios. “Esto permitirá a los científicos desplazarse en diferentes niveles de
análisis, por ejemplo entre el de sistemas y el cognitivo, lo cual a menudo toma su
tiempo. Llegar a entender mejor el cerebro humano conducirá potencialmente a
nuevos avances sobre la prevención y cura de las disfunciones del sistema
nervioso, como pueden ser el Parkinson y el Alzheimer.”[COR] La información
producto de estas investigaciones en el CNC se ha ido almacenando en diferentes
formatos, algunos de los cuales están obsoletos y son de difícil acceso para su
utilización.
2.1. CONCEPTO
La neuroinformática es la combinación de la investigación en neurociencia y en
informática para desarrollar y aplicar herramientas con el objeto de avanzar en la
comprensión de la estructura y función del cerebro mediante enfoques avanzados.
Las ciencias interdisciplinares como la neuroinformática o, en general la
bioinformática, persiguen acelerar el progreso de comprensión del funcionamiento
del cerebro, situándose en la intersección de la medicina, biología, psicología,
física, computación, matemáticas e ingeniería para generar aplicaciones que
permitan el desarrollo de sistemas artificiales, que implementen los tipos de
computación de procesamiento cerebral.
La neuroinformática se sitúa entre la neurociencia y la documentación. Hay otros
campos, como la genómica que ya han demostrado las virtudes de disponer de
una base de datos de libre acceso y la aplicación de teorías y modelos
computacionales para la resolución de problemas complejos.
2.2. HISTORIA
En 1989 el Instituto de salud mental (NIMH), Instituto Nacional de abuso de drogas
(NIDA) y la Fundación Nacional de Ciendia de Estados Unidos (NSF), asignaron
fondos a la Academia Nacional de Ciencias (NSF) para llevar a cabo un estudio
pormenorizado de la necesidad de crear bases de datos para compartir datos
neurocientíficos y examinar cómo el campo de la tecnología de la información
podría manejar dichos datos.
Una serie de recomendaciones fueron dictadas en 19912
El artículo permitió al NIMH crear el proyecto "Cerebro Humano" (HPB), el cual
concedió la primera beca en 1993. El proyecto fue originalmente dirigido por
Koslow junto con los esfuerzos de otros institutos norteamericanos. Más tarde,
Koslow ha hecho esfuerzos por globalizar el proyecto y la neuroinformática en
general a través de la Unión Europea y la Organización para la Cooperación y el
Desarrollo Económico, OCDE.
2.4. OBJETIVOS
La neuroinformática viene a cubrir tres objetivos principales.
El desarrollo de herramientas y bases de datos para el manejo y
distribución de datos neurocientíficos a todos los niveles de análisis,
El desarrollo de herramientas para análisis y modelado de datos
neurocientíficos,
El desarrollo de modelos computacionales del sistema nervioso y procesos
neuronales.
En la última década este problema se ha visto agudizado, siendo cada vez más
claro que se necesita un sistema que sirva de organización y distribución de los
datos y hallazgos entre la comunidad científica.
SE CREO MEDIANTE FUNCIONES DE OTROS OCUPAMIENTOS
2.5 COMO EJEMPLO TOMARON A:
Albert Einstein, uno de los cerebros más privilegiados del siglo XX,
desarrolló las teorías científicas más vanguardistas que hasta el momento
nos ha brindado la ciencia. Estas teorías, fruto de la interpretación de las
realidades físicas y matemáticas, provienen de la fuente única de
generación de conocimiento, la mente humana.
NEUROINFORMATICA
NEUROCIENCIA
COMPUTACION
BIOLOGIA
PSICOLOGIA
MEDICINAINGENIERIA
FISICA
MATEMATICA
QUIMICA
Thomas S. Harvey, patólogo del hospital de Princeton, diseccionó este
prodigioso cerebro, donado para el análisis científico en 1955, en
doscientas láminas, con excepción del cerebelo y del córtex.
El resultado de este análisis, descubrió un mayor número, en términos
porcentuales, de células de la glía cerebral que de neuronas, interpretándose que
el consumo de energía del cerebro de Einstein era superior a la media debido a
sus extraordinarias capacidades cognitivas.
La atracción generada por la teoría neuronal de Santiago Ramón y Cajal, relegó a
un segundo plano a las células glía, concentrando los esfuerzos de los
neurocientíficos en la comprensión de la estructura, fisiología, desarrollo y
plasticidad de los circuitos neuronales. Sin embargo, recientemente se ha
redescubierto a estas células como elementos clave en el procesamiento de la
información.
2.6. VISION ACTUAL
Existe un alto potencial de creación de feedbacks positivos entre los dominios de
la neuroinformática y las tecnologías de la información y de las comunicaciones,
creando una única sinergia. La neuroinformática también estimulará los
desarrollos en los campos de la ingeniería neuromórfica o la biónica. En este
dominio, están siendo desarrollados métodos y experimentos computacionales
alternativos, como por ejemplo los circuitos analógicos de silicio VLSI (Very Large
Scale Integration) que pueden generar enfoques novedosos en la emulación de la
función neuronal.
3. PROCESAMIENTO DIGITAL DE LA IMAGEN