- La investigación de Michael Levin no ve el desarrollo biológico solo desde una perspectiva centrada en los genes, sino que pone en primer plano la hipótesis de que las células coordinan la estructura del cuerpo mediante redes bioeléctricas
- En experimentos con planarias, el potencial de membrana en reposo de las células y sus estados eléctricos relativos participaron en la regeneración de cabeza y cola, y fue posible modificar la estructura corporal con fármacos que bloquean canales iónicos específicos
- Algunos cambios en las planarias persistieron sin edición genética, y la estructura de dos cabezas se transmitió a la siguiente generación sin manipulaciones adicionales
- El mismo enfoque se extendió a extremidades adicionales en ranas, ojos en ubicaciones anómalas, biobots que se mueven y se autorreplican, y biobots basados en células humanas que curan neuronas dañadas
- Si las células, los tejidos y los órganos también pueden tener inteligencia colectiva, cambiando de medios para alcanzar un objetivo, el alcance de la investigación en biomedicina y ciencia cognitiva podría ampliarse enormemente
El proceso por el cual una sola célula se convierte en un cuerpo
- Para que un único óvulo fecundado se desarrolle hasta convertirse en embrión y adulto, deben formarse la disposición y las conexiones de huesos, piel, músculos, órganos y alrededor de 100 mil millones de neuronas
- En una máquina, una persona ensambla piezas siguiendo un plano, pero en el desarrollo biológico no existe un centro de control central que observe todo el cuerpo desde arriba y dé órdenes a cada parte
- La biología tradicional, en general, se ha acercado más a una estructura ascendente, en la que los mecanismos moleculares crean funciones celulares y las funciones celulares crean órganos y cuerpos
- Desde la secuenciación del genoma humano en 2003, muchas investigaciones se han concentrado en cómo los genes y las rutas químicas determinan estructuras biológicas de alto nivel
- El punto central de Levin es que los genes contienen mucha de la información necesaria para construir el cuerpo, pero no son la única capa de abstracción para entender e intervenir en el desarrollo
- En una analogía con la programación, los genes se parecen más al código máquina, mientras que los programadores modernos trabajan con construcciones de más alto nivel como objetos, módulos y aplicaciones
- En biología también existen capas superiores de control significativas, y una de sus formas son las redes bioeléctricas
Redes bioeléctricas y regeneración de planarias
- Las neuronas se comunican en red mediante patrones eléctricos de membrana y neurotransmisores, pero las células de todo el cuerpo también poseen los mismos componentes de comunicación y se envían señales entre sí más lentamente
- Levin y sus colegas llaman a esto redes bioeléctricas para distinguirlas de las redes neuronales
- La planaria es un organismo de unos 2 cm de longitud, que no envejece, no desarrolla cáncer y puede regenerar cada parte aunque su cuerpo sea cortado en más de 250 fragmentos
- La pregunta clave del proceso de regeneración es cómo cada fragmento cortado distingue qué partes ya tiene y cuáles debe crear de nuevo
- En las células de todo el cuerpo existe un gradiente de potencial de membrana en reposo
- Las células rastrean su posición en el cuerpo mediante ese estado eléctrico
- Los experimentos mostraron que la ubicación del estado eléctrico de una célula, en comparación con el resto del cuerpo, participa en la decisión de regenerar una cabeza o una cola
- En la capacidad regenerativa también son importantes las células madre adultas llamadas neoblastos, que pueden representar hasta el 30% del cuerpo de una planaria
- No todos los biólogos están de acuerdo con la centralidad de las redes bioeléctricas, y Alfonso Martinez Arias considera que debería prestarse más atención a la capacidad de las células madre
Experimentos que cambiaron la estructura corporal sin modificar genes
- El equipo de Levin colocó planarias en una solución con fármacos que bloquean canales iónicos específicos para modificar el estado eléctrico de las células, e hizo que formaran no una, sino dos cabezas
- En experimentos de la misma línea también hubo resultados en los que no se formó ninguna cabeza, o apareció la cabeza de otra especie de gusano
- Estos gusanos no habían sido editados genéticamente y todos eran organismos vivos funcionales, pero su estructura corporal había cambiado
- Algunos cambios fueron persistentes, de modo que las planarias de dos cabezas siguieron produciendo descendientes de dos cabezas sin fármacos ni manipulaciones adicionales
- Esa línea de planarias se reproduce por fisión, dividiendo el cuerpo en dos
- Este resultado muestra que se pueden producir cambios permanentes en la estructura corporal sin modificar los genes y, desde la perspectiva de Levin, corresponde a un enfoque para descifrar el código bioeléctrico del cuerpo
Control del desarrollo extendido a ranas, ojos y biobots
- El laboratorio de Levin y otros investigadores produjeron varios casos de control del desarrollo mediante la regulación de redes bioeléctricas
- Desarrollaron extremidades adicionales en ranas
- Crearon ojos en el intestino de ranas, o ojos en la cola que realmente podían ver
- El objetivo final con el que sueña Levin es un compilador anatómico que, al ingresar cualquier órgano o diseño corporal, produzca el conjunto de señales químicas y eléctricas necesarias para construirlo
- Esta idea consistiría en dar una descripción de alto nivel, como “un ojo adicional en la cola”, en lugar de especificar toda la microestructura detallada, y se la compara con un DALL-E de la biología
- A largo plazo se menciona la posibilidad de aplicarla a problemas biomédicos como traumatismos, defectos congénitos, enfermedades degenerativas, cáncer y envejecimiento
- Sin embargo, estos sistemas son una posibilidad muy especulativa y lejana, y durante su desarrollo podrían surgir muchos problemas éticos
Inteligencia y adaptabilidad en el proceso de desarrollo
- En la visión más amplia de Levin, la “inteligencia” y la “cognición” no se limitan a las neuronas del cerebro, sino que pueden aplicarse a muchas más capas de la biología
- Un experimento en el que, incluso tras mezclar manualmente los órganos faciales de renacuajos, durante la maduración los órganos se desplazaron a las posiciones correctas, muestra que un cuerpo en desarrollo puede moverse hacia un estado objetivo
- Como es poco probable que esta situación de “picasso frogs” haya ocurrido en el entorno evolutivo, se interpreta que difícilmente sea un procedimiento genéticamente codificado de forma rígida para una situación específica
- Levin define la inteligencia como la capacidad de alcanzar el mismo objetivo por medios diferentes
- Casos relacionados aparecen en varios niveles biológicos
- Si un embrión se divide quirúrgicamente en dos, no se desarrollan dos medios cuerpos, sino dos gemelos sanos
- Incluso si se agrandan artificialmente las células de salamandra, los túbulos renales se desarrollan con el mismo tamaño objetivo usando un menor número de células
- Si las células se agrandan aún más, la salamandra puede llegar a formar túbulos con la forma de una sola célula enrollada hacia adentro
Creatividad, agencia e inteligencia colectiva
- Los sistemas biológicos no solo recuperan la misma función después de una perturbación, sino que también pueden adoptar funciones nuevas si reciben las señales adecuadas
- El equipo de Levin dio señales específicas a células de la piel de embriones de rana y creó biobots que se mueven y se autorreplican
- Este caso también se realizó sin manipulación genética, administrando fármacos a células madre comunes
- Más recientemente, crearon biobots móviles con células de tejido pulmonar de humanos adultos y demostraron que estos podían curar neuronas dañadas
- Entre las aplicaciones potenciales se incluyen atacar células cancerosas, limpiar toxinas ambientales y curar tejido nervioso degenerado
- Levin considera que, incluso antes de la aparición del cerebro, la evolución pudo haber descubierto agencia y procesamiento inteligente de información en subsistemas como la morfogénesis, las colonias bacterianas y las redes genéticas
- Si vemos a las células y a los grupos celulares como sistemas con inteligencia innata, se abre una línea de investigación para aprovechar esa inteligencia con fines deliberados
Ampliación del alcance de la ciencia cognitiva
- Si el cerebro, los órganos y las células poseen los mismos componentes cognitivos básicos, herramientas e ideas pueden compartirse entre disciplinas
- La “ciencia cognitiva” puede expandirse más allá del estudio de las neuronas cerebrales hacia todos los tipos de células coordinadas en conjunto y, en un sentido más amplio, hacia todos los colectivos
- Ya se han estudiado enfoques que ven el cáncer como un “trastorno de identidad disociativo” de un grupo de células, o fenómenos en los que colonias de hormigas caen en tipos de ilusiones visuales similares a las del cerebro
- Levin ve toda inteligencia como inteligencia colectiva
- Las distintas inteligencias se forman combinando muchas subunidades, cada una con sus propias capacidades y subinteligencias
- Un individuo humano también es un conjunto en el que cooperan alrededor de 100 mil millones de neuronas y billones de otras células
- El cuerpo es una sociedad de células, y la conexión entre la sociedad humana y la sociedad celular dentro del cuerpo podría ser más que una simple metáfora
1 comentarios
Comentarios en Hacker News
La perspectiva de Michael Levin se está acercando bastante a la autopoiesis de Humberto Maturana y al bombeo de protones de Nick Lane
La autopoiesis no es un concepto fácil, pero una de sus ideas centrales es que, más que los detalles de la estructura, lo importante es la conservación de las relaciones que permiten seguir reponiendo sus propios componentes. Que las planarias sean muy adaptables no es precisamente una novedad
Nick Lane pone más énfasis en la bioenergética y en el bombeo de protones a través de membranas que en el ADN, y en su libro reciente “Transformer” trata el ciclo de Krebs y las mitocondrias como el núcleo de la vida. Lane se lee con mucha facilidad, pero Maturana es casi críptico
Disfruté leer el artículo en cuestión, pero me incomoda que reduzca el desarrollo a la “bioelectricidad”. Aunque es una perspectiva complementaria, no sé si realmente nos lleve más lejos que la vieja biología molecular del desarrollo
Es difícil encontrar autores en otros campos con los que uno pueda aprender tanto sin que se sienta como trabajo de verdad
Pienso que su valor se hace evidente en las aplicaciones teóricas cuando uno se aparta de una visión centrada en la masa y pasa a la completitud matemática de la radiación electromagnética idealizada en ingeniería eléctrica
Hice una simulación del crecimiento de un árbol como un autómata celular programable. Cada célula ejecuta operaciones como la replicación según las condiciones de su entorno y su edad/número de iteraciones
Con esta técnica también se pueden hacer crecer organismos más complejos. Se puede probar directamente aquí: https://acionescu.github.io/digitalfire/WebContent/
En la nota al pie 5 hay un dato importante escondido. En los casos en que las planarias de dos cabezas producen descendencia de dos cabezas, no se reproducen poniendo huevos, sino por fisión
Es decir, esta característica fisiológica no se transmite a través de los genes. Si se transmitiera por genes, sería un hecho lamarckiano bastante sorprendente
Las planarias normalmente usan tanto reproducción sexual como asexual, es decir, tanto huevos y esperma como la división del cuerpo
La redacción del artículo está algo exagerada. Ya existen varios casos en los que los gradientes participan en la formación de patrones, y el potencial eléctrico solo es un área de investigación relativamente nueva.
Están el gradiente químico basado en la señalización WNT en el desarrollo de la mosca de la fruta, el gradiente químico de SHH (sonic hedgehog) en la formación de patrones de las extremidades y la asimetría del eje corporal, y también la señalización de auxina en el desarrollo vegetal.
El famoso artículo de Alan Turing de la década de 1950 también trató el mecanismo de reacción-difusión para la formación de patrones. Para que la evolución produzca patrones reproducibles, tiene que partir de algún tipo de gradiente y conectarlo con la transcripción genética.
En el caso de la mosca de la fruta, se trata de un disparador químico que llega al núcleo mediante la señalización WNT; en el caso de los platelmintos, en lugar de un gradiente químico, lo que impulsa el proceso es un gradiente de polarización de membrana. Los patrones que pueden generarse mediante despolarización eléctrica parecen ser más simples que las interacciones químicas, porque pierden las interacciones interesantes que surgen en la reacción-difusión.
En realidad, el estado descrito está determinado por las concentraciones de varios iones y moléculas dentro y fuera del cuerpo animal. Como intervienen iones atómicos y moléculas con carga eléctrica, la distribución de potencial surge como resultado de cambios en las concentraciones químicas, y ese potencial se parece más a un mecanismo que acopla entre sí varias concentraciones químicas.
Un mismo estado “bioeléctrico”, es decir, una misma distribución de potencial, puede surgir de distintas distribuciones iónicas, y aunque a simple vista parezca el mismo estado eléctrico, es muy probable que el comportamiento real sea bastante diferente.
Es parecido a lo que ocurre en los semiconductores: no se puede simular su funcionamiento solo con la distribución de carga, sino que hay que considerar por separado varias concentraciones de portadores de carga, como electrones, huecos y defectos cristalinos fijos.
A medida que un organismo crece, ¿cómo saben las células qué deben hacer en el tiempo y en el espacio, y cómo está codificada esa lógica en el genoma?
Eric Davidson hizo un trabajo pionero al “depurar” minuciosamente esa lógica genómica espaciotemporal en erizos de mar, y es realmente asombroso. Los eucariotas como nosotros no solo tenemos elementos regulatorios justo aguas arriba del gen, sino también elementos regulatorios situados a cientos de miles de pares de bases de distancia.
En la región de ADN justo antes del marco de lectura abierto al inicio del gen, normalmente hay motivos de ADN a los que se unen proteínas que aumentan o reducen la expresión génica, y Davidson y otros mostraron que, sobre los factores de transcripción unidos a esos motivos regulatorios, se une otra capa de proteínas; esa secuencia proteica secundaria, a su vez, recluta una tercera capa de proteínas y regula condicionalmente la expresión según su identidad.
Como las capas secundaria y terciaria codifican niveles de operaciones lógicas, literalmente pueden verse como una especie de abstracción. Una buena reseña de acceso abierto que explica el concepto con más detalle incluso para lectores generales es “ERIC DAVIDSON: STEPS TO A GENE REGULATORY NETWORK FOR DEVELOPMENT” de Ellen Rothenberg: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4828313/
Si quieres ver la lógica descifrada en pseudocódigo y diagramas, vale la pena revisar “cis-Regulatory control circuits in development” de Howard y Davidson: https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2004.03.031
Le pregunté a un LLM sobre este tema basándome en mis conocimientos de neurociencia básica, arraigados en la comprensión actual de la memoria, el aprendizaje y los potenciales de acción, pero como la investigación todavía es limitada y dispersa, es difícil tener confianza en que la respuesta sea correcta.
Quiero entender con precisión qué es un gradiente de voltaje, en qué se diferencia de un potencial de acción y cómo los procesos a nivel celular se conectan con sistemas más grandes. Por ejemplo, me interesa saber si SHH se usa no solo en la formación de patrones sino también en la regeneración de extremidades, si en una extremidad normal está en estado latente, si depende de si se trata de una célula de extremidad o una célula cerebral, y qué artículos lo aclaran.
Claude explicó los canales de protones Hv1 activados por voltaje en la regeneración de extremidades de anfibios, la despolarización de las células epiteliales en el sitio de amputación, los gradientes de pH y protones, los gradientes de calcio y sodio, la propagación de señales bioeléctricas de larga distancia a través de uniones gap, y los patrones de gradientes de voltaje e iones que determinan el resultado regenerativo.
También respondió que un gradiente de voltaje o un campo bioeléctrico no es un único valor de voltaje en un punto, sino un patrón de diferencias de voltaje distribuido espacialmente, mientras que un potencial de acción es la diferencia de voltaje a ambos lados de la membrana celular en un momento específico. Aun así, también da la impresión de que algo importante se está “barriendo debajo de la alfombra”.
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Computational Boundary of a Self: Bioelectricity and Scale-Free Cognition (2019) - https://news.ycombinator.com/item?id=39244333 - febrero de 2024
Brains are not required to think or solve problems – simple cells can do it - https://news.ycombinator.com/item?id=39127028 - enero de 2024
Bioelectricity, Biobots, and the Future of Biology [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=38423588 - noviembre de 2023
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Aging as a morphostasis defect: a developmental bioelectricity perspective - https://news.ycombinator.com/item?id=36264719 - junio de 2023
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Bioelectric networks: from body intelligence to regenerative medicine - https://news.ycombinator.com/item?id=35763121 - abril de 2023
Non-neural, developmental bioelectricity as a precursor for cognition - https://news.ycombinator.com/item?id=33902641 - diciembre de 2022
Michael Levin: Intelligence Beyond the Brain (networked daptive morphogenesis~) - https://news.ycombinator.com/item?id=33217070 - octubre de 2022
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Persuading the Body to Regenerate Its Limbs - https://news.ycombinator.com/item?id=27062477 - mayo de 2021
The Link Between Bioelectricity and Consciousness - https://news.ycombinator.com/item?id=26435281 - marzo de 2021
Growing Neural Cellular Automata: A Differentiable Model of Morphogenesis - https://news.ycombinator.com/item?id=22300376 - febrero de 2020
What Bodies Think About: Bioelectric Computation Outside the Nervous System - https://news.ycombinator.com/item?id=18736698 - diciembre de 2018
Brainless Embryos Suggest Bioelectricity Guides Growth - https://news.ycombinator.com/item?id=16589702 - marzo de 2018
Memory in the Flesh: Can memories survive outside the brain? - https://news.ycombinator.com/item?id=9226391 - marzo de 2015
Growing Neural Cellular Automata https://news.ycombinator.com/item?id=22300376, febrero de 2020
Sorprende que la información necesaria para crear a una persona sea de apenas 750 MB sin comprimir. Por ejemplo, incluyendo cosas como la forma muy específica de la escápula o la aracnofobia
Si se implantaran 10 cigotos idénticos en 10 personas distintas, el resultado no serían 10 clones humanos como la gente suele imaginar, sino 10 seres humanos diferentes. Esto se debe a que no solo la genética de la madre, sino también su dieta, estilo de vida e historial previo, influyen mucho en el desarrollo fetal temprano
No sabemos cuántos datos harían falta para describir completamente una célula viva. Como no se puede crear una célula solo con ADN sin una célula preexistente, la información necesaria no está solo en el ADN
Cuando una célula se divide o se reproduce, se copia el nanorrobot completo con unas cuantas modificaciones. El ADN indica cómo modificar el nanorrobot copiado, y también sería posible reprogramar cualquier célula a su estado original
Nadie sabe cómo fabricar desde cero ese nanorrobot que es la célula. Así como un programa de computadora no contiene instrucciones para fabricar la computadora, esa información no está dentro del ADN
Además, apenas estamos rascando la superficie de la epigenética
Una frase como “Su trabajo ha sido presentado en muchos lugares, desde Scientific American hasta el pódcast de Lex Fridman y The New Yorker” suena rara como forma de hablar de logros científicos
Si dijeran que publicó artículos en Lancet, Nature o Science, eso sí transmitiría claramente peso científico; en cambio, aparecer en medios de divulgación, pódcasts famosos o revistas para público general solo muestra qué tan bien puede explicar o vender su investigación, no su rigor
El pasaje que dice que “hizo que ranas desarrollaran extremidades adicionales, o que les crecieran ojos visibles de verdad en el intestino o en la cola” provoca reacciones contradictorias
Una es “¡La ciencia es realmente asombrosa!”, y la otra es “Pobre rana, qué horror”
El título es realmente malo. Creo que un título mejor sería Bioelectric Signals Guide Body Development and Regeneration
No usó células pulmonares, sino células bronquiales humanas
Dice que fue “porque es uno de los pocos tejidos del cuerpo con cilios móviles”
Por eso pueden desplazarse
[0] https://twitter.com/drmichaellevin/status/173042805284737055...