Becario de BECAL publicó su primer trabajo de investigación en España y sueña con establecer un laboratorio en nuestro país
Establecer un Laboratorio de Investigación en Sistemas Complejos en alguna institución de educación superior Paraguay, de preferencia en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UNA -con la que aún mantiene vínculos-, principalmente co-orientando a trabajos de grado del Departamento de Física, es uno de los deseos de nuestro becario Gustavo Eduardo Mereles Menesse, quien está haciendo un Doctorado en Física y Matemáticas en Granada, España, a través del Programa Nacional de Becas de Posgrado en el Exterior “Don Carlos Antonio López” (BECAL), dependiente del Ministerio de Economía y Finanzas (MEF). Hace unos días, Gustavo publicó su primer artículo relacionado con su investigación dentro del programa de doctorado, en colaboración con investigadores de la Universidad de Barcelona.
“Entiendo que existen muchos desafíos, tanto políticos como financieros. No obstante, tengo plena confianza en que es factible hacerlo, puesto que la inversión inicial para montar un laboratorio especializado en trabajo teórico/computacional es relativamente bajo”, afirma sobre su sueño de contar con un laboratorio en nuestro país.
Oriundo de Capitán Bado, Departamento de Amambay, Gustavo es Ingeniero Ambiental por la Facultad de Ciencias Agrarias, UNA. Además, finalizó la Licenciatura en Ciencias, mención Física, en la FACEN, UNA. Luego, hizo una maestría en Física aplicada a Biología y Medicina en la Universidad de Sao Paulo, Brasil, gracias a una beca de la Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES de Brasil), logrando tres publicaciones en revistas internacionales con resultados de su proyecto de investigación de maestría, dos de ellos en revistas de impacto en el área de física estadística interdisciplinar (https://doi.org/10.1016/j.chaos.2022.111877 y https://doi.org/10.1103/PhysRevE.108.024315), el segundo de ellos en un journal de la renombrada American Physical Society (APS).
Su madre es universitaria, formada en Psicología por la Universidad Nacional de Asunción (UNA); su padre en cambio, finalizó sus estudios de nivel medio en el régimen especial de enseñanza media. Gustavo tiene un hermano y una hermana. Su hermana también universitaria, finalizó la Licenciatura en Biotecnología en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FaCEN), UNA, y actualmente está haciendo una maestría en Neurociencia en la Universidad de Sao Paulo, Brasil.
Acerca de su estadía académica, comenta que más allá de ganar experiencia y adquirir el “know how” de cómo trabajar a alto nivel en su área, considera que la mayor ventaja de una estancia académica en el exterior es la facilidad de contactar con expertos de renombre en su área, establecer colaboraciones, y así extender su red de contactos internacionales.
“El objetivo es que el día de mañana, al volver a Paraguay, pueda mantenerme trabajando con investigadores internacionales y ser capaz de proporcionar a mis futuros estudiantes y colaboradores en Paraguay el acceso a estos espacios. Además de estas ventajas, realizar el doctorado me permite madurar como científico, ser capaz de ver claramente las limitaciones de los métodos y herramientas actuales de las ciencias físicas al lidiar con la complejidad de los sistemas neuronales es un importante ensayo de humildad”, apunta.
El proyecto de investigación publicado recientemente (https://doi.org/10.1063/5.0201454) consiste en describir la dinámica de información de los sistemas neuronales, buscando establecer conexiones entre las propiedades informacionales de estos sistemas con los comportamientos emergentes, por ejemplo, las oscilaciones colectivas, transiciones de fase dinámicas, metaestabilidad, entre otros. Explica que es un trabajo prioritariamente teórico/computacional, aunque consideran que tiene mucho potencial para contribuir al área experimental, dada la creciente cantidad de datos experimentales disponibles actualmente en las bases de datos abiertas.
“El primer artículo en realidad es un trabajo complementario paralelo a mi investigación principal. Surgió de mi interacción con el profesor Jordi Soriano (https://scholar.google.es/citations?user=Nm30Wr0AAAAJ&hl=es) de la Universidad de Barcelona durante una escuela en sistemas dinámicos no lineales y neurociencia realizada en el SAIFR-ICTP (South American Institute for Fundamental Research, Internacional Center for Theoretical Physics) en Sao Paulo, durante mayo del año 2023”, relata.
El profesor Soriano es físico experimental, dirige un grupo especializado en cultivos neuronales in vitro, donde desarrollan y aplican técnicas de vanguardia en la materia. Gustavo refiere que le propuso aplicar las herramientas teóricas con las que está trabajando a sus datos experimentales, con la intención de demostrar las ventajas que los nuevos desarrollos en teoría de información aplicada a sistemas complejos.
“Debo aclarar que no considero que el trabajo sea necesariamente relevante desde el punto de vista fundamental, sino más bien, es una aplicación práctica de herramientas teóricas para análisis de datos provenientes de sistemas neuronales, tanto simulaciones computacionales (lo que se conoce como sistemas in silico) como de cultivos celulares (sistemas in vitro)”, agrega.
Para entender en qué consistió el trabajo, Gustavo señala la importancia de presentar algunos conceptos e ideas introductorias. Las neuronas son las células fundamentales del tejido nervioso. De manera simplificada, se puede entender cada neurona individual como dividida en tres partes: a) el árbol dendrítico (por donde recibe estímulos provenientes de otras neuronas), el soma o cuerpo celular (la célula en sí, donde se encuentran su núcleo, organelos, etc) y el axón (por donde emite estímulos a sus neuronas vecinas).
Debido a las características de los sistemas neuronales es natural describirlos usando teoría de redes. Para ello, se trata a cada neurona como un nodo que se comunica con otros nodos por medio de conectores o “links”. Las conexiones entrantes harían referencia a las ramificaciones de su árbol dendrítico y las conexiones salientes a su axón conectado a árboles dendríticos de neuronas vecinas. Con esto, se establece una “red neuronal”. A la manera en la que están conectados estos nodos (quien conecta con quien), se le llama topología estructural de la red.
En un tejido neuronal, relata, conocer exactamente cómo se distribuyen estas conexiones, es una tarea muy compleja, dado que cada neurona tiene del orden de 10000 conexiones en promedio. Un enfoque típico, es medir la actividad neuronal, o sea, detectar la ocurrencia de potencial de acción a lo largo del tejido y buscar las correlaciones entre la actividad de las neuronas. Pues se asume que si la actividad de dos neuronas están muy correlacionadas, existe una gran probabilidad de que estén conectadas entre sí.
No obstante, aclara, dos neuronas podrían tener actividades correlacionadas por medio de una tercera neurona, que interactúa con ambas, o incluso por una cadena de neuronas en interacción entre una y otra, por lo que, esta estrategia no garantiza capturar realmente la topología estructural, sino más bien, lo que se denomina topología funcional. La topología funcional hace referencia a ¨quienes afectan a quienes¨ en la red (relación causal efectiva entre neuronas), independientemente de si este efecto se da directamente, a través de una conexión estructural, o si se da a través de neuronas terceras.
“La pregunta que queda es, dado este escenario, ¿es posible determinar la topología estructural única y exclusivamente a partir de la topología funcional? La respuesta más aceptada actualmente es que no. No obstante, sí es posible reconstruir la topología funcional de tal manera a maximizar la información sobre la topología estructural”, complementa.
Gustavo manifiesta que el trabajo publicado presenta una aplicación práctica de un marco teórico llamado Integrated Information Decomposition en el contexto del estudio de la topología de redes neuronales. Bajo la luz de este marco teórico, acota, una medida tradicional de teoría de información, llamada de Transfer Entropy, en realidad captura distintos modos de transferencia de información.
“Mostramos que, un modo en específico de transferencia de información, el que bautizamos de transferencia de información única, maximiza los detalles estructurales presentes en la topología funcional. Para esto, utilizamos primeramente un modelo computacional, con el que se simula un sistema neuronal que crece en un medio con obstáculos. Esto fuerza a las neuronas a establecer conexiones dada una topología particular. Dado que en la simulación computacional conocemos en detalle la topología estructural, somos capaces de comparar ambas topologías, la estructural y la funcional, y determinar cuánta información estructural se encuentra presente en la funcional”, sigue contando.
Refiere que llevan el mismo análisis a cultivos neuronales in vitro, donde ya no es posible conocer en detalle la topología estructural. No obstante, dado que el sustrato en donde crecen las neuronas tienen los mismos obstáculos que los utilizados en las simulaciones, esperan observar detalles estructurales semejantes.
“Con esta estrategia, encontramos mejores resultados que con métodos clásicos como usar directamente la Transfer Entropy. Fuimos capaces de identificar los rasgos estructurales esperados incluso en tejidos con actividad no homogénea, donde los métodos tradicionales utilizados anteriormente daban malos resultados”, comenta.
La relevancia del trabajo es más bien metodológica y relativa al análisis de datos provenientes de sistemas neuronales. Demuestran la utilidad de nuevos marcos en teoría de información en la caracterización estructural de circuitos neuronales in vitro.
“Esto podría utilizarse como herramienta auxiliar en la creación de tejido neuronal in vitro cuya topología se acerque más a los tejidos in vivo. Lo que por su vez, contribuiría en el desarrollo de circuitos neuromórficos que integren una parte biológica con una electrónica. Se espera que tales circuitos sean capaces de realizar funciones complejas integrando la capacidad y velocidad de los circuitos electrónicos con la eficiencia y flexibilidad de los sistemas neuronales biológicos”, destaca.
Gustavo señala BECAL ya ha marcado un logro sin precedentes (en escala y alcance), al permitir que centenas de paraguayos de todo el país tengan acceso a instituciones de renombre internacional. “Por esta razón, estoy seguro que la BECAL entrará definitivamente en los anales de la historia del país, cuando en unas décadas quede claro el impacto de los becarios en la matriz productiva y científica paraguaya”, resalta.
Añade que si se asume el mejoramiento de programas como el PRONII y los fondos concursables para proyectos de investigación científica de CONACYT, haciéndolos capaces de financiar de manera eficiente la infraestructura e insumos necesarios para el desarrollo técnico y científico, no hay razones para que los becarios no sean capaces de cumplir el compromiso al volver. “Al insertarnos en las instituciones existentes o futuras, tanto públicas como privadas, aplicando ahí todo el bagaje en conocimiento y experiencia adquiridos al trabajar en instituciones internacionales, podríamos transformar profundamente la cultura de trabajo en las instituciones paraguayas”, destaca.
Finalmente, animó a todos los paraguayos con espíritu científico, disciplina y fuerza de voluntad a que aprovechen las oportunidades de formación que ofrece el Programa, pues considera que BECAL es una oportunidad única para que expandan su perspectiva de futuro, más allá de los límites naturales y culturales de nuestro país mediterráneo.
“Que aprendan que existe un mundo afuera donde el trabajo, el esfuerzo y el talento pesan, y que no existen razones para que esto no sea también una realidad tangible en Paraguay. No obstante, depende de ustedes, de vuestro sacrificio, el materializar esa realidad. A los becarios actuales y futuros, tengan en cuenta que las oportunidades que ofrece BECAL son un compromiso con el país, y en cierta medida, me animo a decir que incluso una responsabilidad histórica. Recuerden que el sacrificio de muchas familias paraguayas, desde las humildes a las privilegiadas, que como contribuyentes de las arcas públicas, son en mayor o menor grado, los que nos están financiando esta oportunidad. Les pido que tengan esto en mente, tenemos un país que ayudar a erigir”, concluye.
