Tendencias Científicas
Un cerebro modelado por ordenador. Fuente: Human Brain Project.
Entender el cerebro humano es uno de los grandes retos del hombre, y la Unión Europea ha decidido que ese va a ser uno de los grandes proyectos que va a apoyar en el marco Horizonte 2020 (el programa de ayudas a la innovación y la investigación de la UE para el periodo 2014-2020).
El proyecto se va a llamar Human Brain Project (HBP, Proyecto Cerebro Humano), y algunos de los participantes españoles en el mismo explicaron con más detalle en qué consiste el pasado martes 26 de noviembre, en el Instituto de la Ingeniería de España.
La jornada estuvo moderada por Enrique Gutiérrez Bueno, presidente del Comité de Ingeniería y Sociedad de la Información del IIE, que explicó que además del cerebro en sí, "se trata de entender las enfermedades que le afectan; qué lo hace distinto del cerebro del resto de animales".
Para ello se utilizarán múltiples herramientas y algoritmos informáticos. "Los resultados de la investigación abrirán nuevas fronteras de conocimiento, nuevo hardware, un nuevo potencial económico e industrial". Del proyecto HBP destacó que "tiene un enfoque colaborativo, y está financiado por la Comision Europea y por los estados miembros de manera individual".
Gonzalo León, coordinador en España del proyecto, explicó que durará al menos un plazo de diez años y que tendrá la categoría de FET Flagship (Buque insignia de Tecnologías Emergentes y Futuras), es decir, que será uno de los más importantes de los apoyados por la UE. "Va a influir mucho mas de lo que pensamos en las tecnologías del futuro. Yo soy ingeniero de telecomunicación, y el otro día le decía al director de mi escuela que dentro de poco será más importante que los de teleco sepan como funciona una célula que los electrones".
El Séptimo Programa Marco de la UE termina el mes que viene, aunque algunos proyectos se prolongarán hasta 2015. El Horizonte 2020 se diferencia del 7PM en que los proyectos pretenden ser a más largo plazo, y a tener menos presión de producir algo para el mercado.
Proyectos como HBP serán multidisciplinares, señaló León, y estarán "orientados hacia la ciencia", es decir, que tendrán un enfoque más de ciencia básica que los de etapas anteriores. El objetivo es coordinar a todos los Estados, y a las regiones de todos los Estados, para que no se pague siete "o 37" veces la misma cosa. El otro gran proyecto de la UE será sobre el grafeno.
"Se trata de proyectos de 1.000 millones de euros, 100 millones al año. Hacer un Airbus es más caro, pero hablando de investigación básica, no hay precedentes de algo así. Hablamos de coordinar a 200 grupos de investigación a la vez", subrayó León.
En 2013, añadió, el cerebro sigue siendo "la gran frontera desconocida". Ha habido esfuerzos previos, pero fragmentados, divididos por países, "y que han producido datos incompatibles entre sí". El problema es que el cerebro "es muy delicado, es más delicado que un brazo", además del gran problema social que representan las enfermedades neurodegenerativas, explicó, para exponer el contexto en el que se mueve la investigación. "No hay tratamientos reales, solo paliativos".
Iniciativa española
España está relativamente bien colocada en la investigación del cerebro, destacó el experto, porque ya llevamos años trabajando en ello. "El proyecto Blue Brain (cerebro azul) arranca en Suiza, apoyado por IBM. Luego se forma el subproyecto español, Cajal Blue Brain, que se incorpora al proyecto global coordinado desde la Escuela Politécnica Federal de Lausana, en el que también estaba por ejemplo el MIT".
León trabajó en él como director del Centro de Apoyo a la Innovación Tecnológica (CAIT) de la Universidad Politécnica de Madrid, y ahora es el coordinador en España del HBP, que está dirigido también desde la EPF de Lausana, y en el que participan 256 instituciones de 23 países (no sólo europeos, sino también de EE.UU., Japón y China, por ejemplo), y más de 1.000 personas. "Se ha reservado parte del dinero para que entren nuevos subproyectos y personas".
Estudiar el cerebro del ratón, cómo aplicar plataformas TIC (neuroinformátrica, simulación, informática médica, neurorrobótica) o entender la función cerebral son algunos de los subproyectos de HBP. También habrá un apartado dedicado a la ética, y a cómo gestionar los datos que se obtengan en las investigaciones (que pueden afectar a personas concretas).
España participa con un 6% del proyecto, que es relativamente alto respecto a otros países, y que solo está detrás de Suiza (33%), Alemania (25%), Reino Unido (9%) y Francia, pero que es menos de nuestra contribución anual a la UE (8,5%). Por parte de España participan, además de la UPM, la Autónoma de Madrid, la Universidad de Barcelona, la de Granada, al Pompeu Fabra, la Rey Juan Carlos, y el Centro Nacional de Supercomputación-Barcelona Supercomputing Center (BSC-CSN). Participarán "informaticos, telecos, industriales, médicos, biólogos, neurocientíficos, matemáticos, bioquímicos, etc."
Entre los desafíos que deberá resolver la ingeniería para dar soporte a la investigación, señaló León, se encuentran el almacenamiento de grandes volúmenes de datos y la simulación interactiva en tiempo real. El HBP abre oportunidades para la ingeniería de tejidos cerebrales y la robótica inteligente "bio-inspirada" (robots que piensan de manera diferente), entre otras nuevas ramas.
En España hemos dado algunos pasos en ese sentido, recordó, con desarrollos como la cueva de realidad virtual de la Universidad Politécnica de Cataluña o el sistema Espina, que permite obtener imágenes tridimensionales del cerebro.
Neurociencia
Más en detalle entró otro de los ponentes, Javier de Felipe, neurocientífico y director del Laboratorio Cajal de Circuitos Corticales UPM-CSIC. "Nosotros somos nuestro cerebro, y gracias a él podemos inventar juegos, inventar música, construir edificios", comenzó. "No solemos meditar sobre la naturaleza del cerebro, que no solo es importante filosófica y científicamente, sino que además da lugar a enfermedades graves".
¿Qué sabremos del cerebro cuando acabe el HBP?, se preguntó en alto. Uno de los objetivos es realizar un conectoma del cerebro, es decir, un mapa macroscópico de las conexiones neuronales. Más ambicioso es realizar el sinaptoma, que es un mapa similar pero a nivel microscópico.
Para ello se realizarán simulaciones, como la de una neurona virtual, basándose en neuronas de personas fallecidas. A partir de una sola célula, De Felipe propone juntar miles de simuladores, que simulen la actividad cerebral. "Podremos experimentar con ese simulador, por ejemplo, cómo afecta un fármaco al cerebro".
El sistema Espina, una de las herramientas que se utilizan, analiza de forma semi-automática las diferentes estructuras presentes en imágenes digitales de tejido cerebral, como por ejemplo las sinapsis, mitocondrias, vesículas, axones, dendritas, etcétera, a partir de imágenes tridimensionales obtenidas con un microscopio electrónico.
El proyecto se va a llamar Human Brain Project (HBP, Proyecto Cerebro Humano), y algunos de los participantes españoles en el mismo explicaron con más detalle en qué consiste el pasado martes 26 de noviembre, en el Instituto de la Ingeniería de España.
La jornada estuvo moderada por Enrique Gutiérrez Bueno, presidente del Comité de Ingeniería y Sociedad de la Información del IIE, que explicó que además del cerebro en sí, "se trata de entender las enfermedades que le afectan; qué lo hace distinto del cerebro del resto de animales".
Para ello se utilizarán múltiples herramientas y algoritmos informáticos. "Los resultados de la investigación abrirán nuevas fronteras de conocimiento, nuevo hardware, un nuevo potencial económico e industrial". Del proyecto HBP destacó que "tiene un enfoque colaborativo, y está financiado por la Comision Europea y por los estados miembros de manera individual".
Gonzalo León, coordinador en España del proyecto, explicó que durará al menos un plazo de diez años y que tendrá la categoría de FET Flagship (Buque insignia de Tecnologías Emergentes y Futuras), es decir, que será uno de los más importantes de los apoyados por la UE. "Va a influir mucho mas de lo que pensamos en las tecnologías del futuro. Yo soy ingeniero de telecomunicación, y el otro día le decía al director de mi escuela que dentro de poco será más importante que los de teleco sepan como funciona una célula que los electrones".
El Séptimo Programa Marco de la UE termina el mes que viene, aunque algunos proyectos se prolongarán hasta 2015. El Horizonte 2020 se diferencia del 7PM en que los proyectos pretenden ser a más largo plazo, y a tener menos presión de producir algo para el mercado.
Proyectos como HBP serán multidisciplinares, señaló León, y estarán "orientados hacia la ciencia", es decir, que tendrán un enfoque más de ciencia básica que los de etapas anteriores. El objetivo es coordinar a todos los Estados, y a las regiones de todos los Estados, para que no se pague siete "o 37" veces la misma cosa. El otro gran proyecto de la UE será sobre el grafeno.
"Se trata de proyectos de 1.000 millones de euros, 100 millones al año. Hacer un Airbus es más caro, pero hablando de investigación básica, no hay precedentes de algo así. Hablamos de coordinar a 200 grupos de investigación a la vez", subrayó León.
En 2013, añadió, el cerebro sigue siendo "la gran frontera desconocida". Ha habido esfuerzos previos, pero fragmentados, divididos por países, "y que han producido datos incompatibles entre sí". El problema es que el cerebro "es muy delicado, es más delicado que un brazo", además del gran problema social que representan las enfermedades neurodegenerativas, explicó, para exponer el contexto en el que se mueve la investigación. "No hay tratamientos reales, solo paliativos".
Iniciativa española
España está relativamente bien colocada en la investigación del cerebro, destacó el experto, porque ya llevamos años trabajando en ello. "El proyecto Blue Brain (cerebro azul) arranca en Suiza, apoyado por IBM. Luego se forma el subproyecto español, Cajal Blue Brain, que se incorpora al proyecto global coordinado desde la Escuela Politécnica Federal de Lausana, en el que también estaba por ejemplo el MIT".
León trabajó en él como director del Centro de Apoyo a la Innovación Tecnológica (CAIT) de la Universidad Politécnica de Madrid, y ahora es el coordinador en España del HBP, que está dirigido también desde la EPF de Lausana, y en el que participan 256 instituciones de 23 países (no sólo europeos, sino también de EE.UU., Japón y China, por ejemplo), y más de 1.000 personas. "Se ha reservado parte del dinero para que entren nuevos subproyectos y personas".
Estudiar el cerebro del ratón, cómo aplicar plataformas TIC (neuroinformátrica, simulación, informática médica, neurorrobótica) o entender la función cerebral son algunos de los subproyectos de HBP. También habrá un apartado dedicado a la ética, y a cómo gestionar los datos que se obtengan en las investigaciones (que pueden afectar a personas concretas).
España participa con un 6% del proyecto, que es relativamente alto respecto a otros países, y que solo está detrás de Suiza (33%), Alemania (25%), Reino Unido (9%) y Francia, pero que es menos de nuestra contribución anual a la UE (8,5%). Por parte de España participan, además de la UPM, la Autónoma de Madrid, la Universidad de Barcelona, la de Granada, al Pompeu Fabra, la Rey Juan Carlos, y el Centro Nacional de Supercomputación-Barcelona Supercomputing Center (BSC-CSN). Participarán "informaticos, telecos, industriales, médicos, biólogos, neurocientíficos, matemáticos, bioquímicos, etc."
Entre los desafíos que deberá resolver la ingeniería para dar soporte a la investigación, señaló León, se encuentran el almacenamiento de grandes volúmenes de datos y la simulación interactiva en tiempo real. El HBP abre oportunidades para la ingeniería de tejidos cerebrales y la robótica inteligente "bio-inspirada" (robots que piensan de manera diferente), entre otras nuevas ramas.
En España hemos dado algunos pasos en ese sentido, recordó, con desarrollos como la cueva de realidad virtual de la Universidad Politécnica de Cataluña o el sistema Espina, que permite obtener imágenes tridimensionales del cerebro.
Neurociencia
Más en detalle entró otro de los ponentes, Javier de Felipe, neurocientífico y director del Laboratorio Cajal de Circuitos Corticales UPM-CSIC. "Nosotros somos nuestro cerebro, y gracias a él podemos inventar juegos, inventar música, construir edificios", comenzó. "No solemos meditar sobre la naturaleza del cerebro, que no solo es importante filosófica y científicamente, sino que además da lugar a enfermedades graves".
¿Qué sabremos del cerebro cuando acabe el HBP?, se preguntó en alto. Uno de los objetivos es realizar un conectoma del cerebro, es decir, un mapa macroscópico de las conexiones neuronales. Más ambicioso es realizar el sinaptoma, que es un mapa similar pero a nivel microscópico.
Para ello se realizarán simulaciones, como la de una neurona virtual, basándose en neuronas de personas fallecidas. A partir de una sola célula, De Felipe propone juntar miles de simuladores, que simulen la actividad cerebral. "Podremos experimentar con ese simulador, por ejemplo, cómo afecta un fármaco al cerebro".
El sistema Espina, una de las herramientas que se utilizan, analiza de forma semi-automática las diferentes estructuras presentes en imágenes digitales de tejido cerebral, como por ejemplo las sinapsis, mitocondrias, vesículas, axones, dendritas, etcétera, a partir de imágenes tridimensionales obtenidas con un microscopio electrónico.
La labor de los informáticos
Por último le tocó el turno a Jesús Labarta, director de Ciencia Informática en el Barcelona Supercomputing Center, que explicó el papel que realizarán los ingenieros informáticos y las supercomputadoras en el HBP. La computación es una de las tres patas del proyecto, recordó: las otras dos son la neurociencia y la medicina.
"Un cerebro es fatalmente malo para hacer cálculos, mientras que las máquinas son muy buenas en eso, pero son muy poco flexibles a la hora de cambiar de forma de pensar. Son mundos distintos, pero no estaría mal que tuvieran más relación", indicó.
"En todos los proyectos va a ser necesario hacer cálculos en paralelo, y nosotros vamos a dar una infraestructura y un lenguaje comunes, para que no sea una torre de Babel entre los distintos grupos investigadores", añadió.
La capacidad de cálculo da una gran capacidad de simulación. A partir de una caracterización estadística de tejido neuronal, esos datos se almacenan y se simula a partir de ellos. "Sabiendo las características eléctricas de las neuronas simulamos cómo se propagan los impulsos por ellas. Podemos simular miles de millones a la vez".
Sin embargo, para simular correctamente el funcionamiento de un cerebro hará falta ampliar la capacidad de cálculo de los ordenadores, y Labarta cree que para 2018 aún no habrá una máquina capaz, "y para 2020 ya veremos". Además, gastaría la potencia equivalente a la de media central nuclear.
La máquina-cerebro necesitará también bastante memoria, "siempre y cuando se trabaje con la fuerza bruta, simulando millones de neuronas una detrás de otra. Si se cambia el nivel de detalle, las exigencias serán menores".
Labarta también insistió en que las investigaciones del futuro requerirán un cambio de paradigma en los lenguajes de programación: en lugar de decirle con detalle lo que tiene que hacer, cuándo y cómo, el usuario deberá decirle lo que necesita y darle indicaciones generales. "Las máquinas, como los cerebros, son muy distintas ya unas a otras. Tienen su manera propia de funcionar".
Hará falta, volviendo a la falta de flexibilidad de las máquinas, crear mecanismos para que las máquinas acomoden y repartan recursos de manera dinámica entre los distintos subproyectos para que todos se puedan ejecutar en paralelo.
También mostró su asombro de que con el escaso "ancho de banda" que poseemos los humanos para recibir información (la capacidad de los ojos, por ejemplo, para recibir datos del entorno) "seamos capaces de hacer tantas cosas".
Por último le tocó el turno a Jesús Labarta, director de Ciencia Informática en el Barcelona Supercomputing Center, que explicó el papel que realizarán los ingenieros informáticos y las supercomputadoras en el HBP. La computación es una de las tres patas del proyecto, recordó: las otras dos son la neurociencia y la medicina.
"Un cerebro es fatalmente malo para hacer cálculos, mientras que las máquinas son muy buenas en eso, pero son muy poco flexibles a la hora de cambiar de forma de pensar. Son mundos distintos, pero no estaría mal que tuvieran más relación", indicó.
"En todos los proyectos va a ser necesario hacer cálculos en paralelo, y nosotros vamos a dar una infraestructura y un lenguaje comunes, para que no sea una torre de Babel entre los distintos grupos investigadores", añadió.
La capacidad de cálculo da una gran capacidad de simulación. A partir de una caracterización estadística de tejido neuronal, esos datos se almacenan y se simula a partir de ellos. "Sabiendo las características eléctricas de las neuronas simulamos cómo se propagan los impulsos por ellas. Podemos simular miles de millones a la vez".
Sin embargo, para simular correctamente el funcionamiento de un cerebro hará falta ampliar la capacidad de cálculo de los ordenadores, y Labarta cree que para 2018 aún no habrá una máquina capaz, "y para 2020 ya veremos". Además, gastaría la potencia equivalente a la de media central nuclear.
La máquina-cerebro necesitará también bastante memoria, "siempre y cuando se trabaje con la fuerza bruta, simulando millones de neuronas una detrás de otra. Si se cambia el nivel de detalle, las exigencias serán menores".
Labarta también insistió en que las investigaciones del futuro requerirán un cambio de paradigma en los lenguajes de programación: en lugar de decirle con detalle lo que tiene que hacer, cuándo y cómo, el usuario deberá decirle lo que necesita y darle indicaciones generales. "Las máquinas, como los cerebros, son muy distintas ya unas a otras. Tienen su manera propia de funcionar".
Hará falta, volviendo a la falta de flexibilidad de las máquinas, crear mecanismos para que las máquinas acomoden y repartan recursos de manera dinámica entre los distintos subproyectos para que todos se puedan ejecutar en paralelo.
También mostró su asombro de que con el escaso "ancho de banda" que poseemos los humanos para recibir información (la capacidad de los ojos, por ejemplo, para recibir datos del entorno) "seamos capaces de hacer tantas cosas".
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