«Software» de simulación para investigar los misterios del encéfalo
El encéfalo es un órgano altamente regulado que depende de las interacciones precisas de neuronas, células gliales y el entorno circundante para funcionar correctamente. Un componente crítico de este entorno, pero que a menudo se pasa por alto, es el espacio extracelular (EE), la red de espacios microscópicos llenos de líquido entre las células encefálicas. Este espacio está implicado en el transporte molecular, la comunicación celular y la administración de fármacos, pero ha sido poco estudiado durante muchos años. Dos descubrimientos recientes han aumentado significativamente el interés por la investigación del EE. El primero es la identificación del sistema glinfático, una vía de eliminación de residuos metabólicos, entre los que se encuentran las proteínas tóxicas como la beta amiloide, implicada en la enfermedad de Alzheimer. El segundo es el papel que desempeña el EE en los ataques epilépticos y en la propagación de las señales moleculares.
«Software» de simulación para el estudio del EE
Comprender el proceso de transporte de las macromoléculas en el EE puede ayudar a estudiar las enfermedades neurodegenerativas y los procesos neurofarmacológicos, en particular la administración de fármacos en el sistema nervioso central. El equipo del proyecto Human Brain Project ha hecho enormes avances en neurociencia, pero no aborda específicamente la modelización del espacio extracelular. Realizado con el apoyo de las https://marie-sklodowska-curie-actions.ec.europa.eu/?etrans=es (Acciones Marie Skłodowska-Curie) (MSCA), en el proyecto HESSP se siguió un método «in silico» para avanzar en el campo y modelar cómo se difunden las sustancias a través del espacio extracelular, en particular en el hipocampo. Se eligió esta región debido a su estructura bien definida, su relevancia para probar hipótesis de difusión y su implicación en la enfermedad de Alzheimer.
Abordar los retos informáticos
«Simular el movimiento de miles de millones de moléculas es muy exigente desde el punto de vista computacional, por lo que tuvimos que superar las limitaciones de capacidad de memoria de los recursos informáticos existentes», explica Sergio Miguel Tomé, beneficiario de la beca de investigación individual MSCA. Con este objetivo, el equipo desarrolló una herramienta computacional innovadora diseñada de forma óptima para simular eficazmente la difusión de millones de partículas. El llamado simulador híbrido de partículas avanzadas (HAPS, por sus siglas en inglés) permite a los investigadores realizar experimentos ajustando las geometrías del entorno, el número de partículas liberadas y asignando coeficientes de difusión para estudiar el espacio extracelular.
Aspectos técnicos del HAPS
El HAPS se ha diseñado con una interfaz gráfica de fácil manejo, lo que lo hace accesible a investigadores y educadores sin conocimientos de programación. Simula la difusión basándose en el movimiento browniano, y mediante un algoritmo optimizado permite seguir el movimiento de las partículas en entornos tridimensionales. El programa calcula la posición de cada partícula en puntos temporales sucesivos. Emplea un método de doble nivel, un modelo computacional para los movimientos a pequeña escala y otro para la difusión a larga distancia. Con este método se puede simular un gran número de partículas manteniendo una alta eficiencia computacional. Como resultado, el HAPS supera las limitaciones de memoria del «hardware» que han restringido la investigación sobre el EE.
Investigación e impacto educativo del HAPS
Se espera que el «software» tenga repercusiones tanto en la enseñanza académica como en la investigación neurocientífica. Una versión gratuita del HAPS se pondrá a disposición de profesores y estudiantes universitarios como herramienta educativa para mejorar la comprensión y el compromiso en disciplinas como la neurociencia, la farmacología y la biología computacional. Desde el punto de vista de la investigación, el HAPS hará avanzar los estudios «in silico» sobre la difusión en el EE y también podría emplearse en la investigación de la administración de fármacos para enfermedades neurodegenerativas. «Simular la difusión en localizaciones anatómicas complejas requiere un desarrollo continuo del “software” para integrar representaciones más detalladas de las estructuras neuronales y los microentornos», subraya Tomé. Los próximos esfuerzos se centrarán en optimizar el «software» y hacerlo más adaptable a las necesidades futuras.
Palabras clave
HESSP, HAPS, encéfalo, espacio extracelular, «software» de simulación, enfermedad neurodegenerativa, movimiento browniano, hipocampo