El aprendizaje constante transforma nuestras neuronas a nivel molecular

Científicos de la UBC identifican un mecanismo clave para la conectividad de las células cerebrales y, en consecuencia, para la formación de la memoria y su conservación en el tiempo (Fuente: Universidad Columbia Británica)

Aprender cosas nuevas estimula a las células de nuestro cerebro hasta tal punto que las transforma. A nivel molecular, en ellas se da un proceso que potencia la conectividad interneuronal, y con ésta la formación de recuerdos relacionados con lo aprendido. Científicos canadienses describen en Nature Neuroscience por vez primera dicho proceso.


Un estudio de la Universidad de Columbia Británica (UBC), en Canadá, ha identificado un importante cambio molecular que se produce en el cerebro cuando aprendemos y recordamos.

La investigación, detallada en la revista Nature Neuroscience, ha demostrado que el aprendizaje estimula a las células de nuestro cerebro, provocando que, en ellas, un pequeño ácido graso‎ (una biomolécula de naturaleza lipídica) se acople a una proteína conocida como catenina delta.

Esta modificación bioquímica resulta esencial para la producción de cambios en la conectividad de las neuronas. Y es en esa conectividad donde está la clave para el aprendizaje.

“La actividad cerebral puede cambiar tanto la estructura de esta proteína como su función”, afirma Stefano Brigidi, uno de los autores de la investigación, en un comunicado de la UBC.

Casi el doble

Concretamente, analizando modelos animales, los científicos encontraron casi el doble de cantidad de cateninas delta modificadas en el cerebro, tras el aprendizaje sobre nuevos entornos.

Por el contrario, cuando introdujeron en los animales analizados una mutación que bloqueaba la modificación bioquímica propia de sujetos sanos, no se produjeron los cambios estructurales de las células del cerebro que se sabe son importantes para la formación de recuerdos.

Aunque la catenina delta ya había sido relacionada previamente con el aprendizaje, este estudio es el primero que describe su papel en el mecanismo molecular subyacente a la formación de la memoria.

“Se necesitará más investigación, pero este descubrimiento nos aporta una comprensión mucho mayor de las herramientas que usa el cerebro para aprender y recordar; y arroja luz sobre cómo estos procesos se trastornan cuando existen enfermedades neurológicas”, explica Shernaz Bamji, coautora del estudio.

Relación con enfermedades

También proporciona una explicación para algunas discapacidades mentales, añaden los investigadores. Por ejemplo, las personas que nacen sin el gen que codifica esa proteína presentan síndrome del maullido de gato‎, un trastorno que provoca retraso psicomotriz y de las capacidades intelectuales. La interrupción del gen de la catenina delta ha sido observada asimismo en algunos pacientes con esquizofrenia.

Los trastornos en las conexiones entre neuronas se han asociado asimismo a enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer o la enfermedad de Huntington.

Los científicos esperan llegar a establecer completamente la importancia de la catenina delta en la composición de la conectividad neuronal subyacente al aprendizaje y la memoria, a partir de futuros trabajos de investigación.

Confirmada la ignición -efectiva- de fusión nuclear.

Científicos del LLNL (Libermore National Laboratory) de EE.UU. consiguen por vez primera implosionar Deuterio y Tritio a temperatura ambiente y de forma efectiva (produciendo más energía que la requerida en el proceso) obteniedo así energía ilimitada. (fuente LLNL, Nature, T21)


La fusión nuclear (no fisión qué es lo que se produce en nuestras centrales actuales) se trata de un proceso –el mismo que activa a las estrellas- por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado, liberando una cantidad enorme de energía.

Sin embargo, conseguir energía a partir de la fusión nuclear presenta una gran dificultad: se debe lograr que los reactores de este tipo (distintos a los actuales de fisión nuclear) generen más energía de la que consumen.

Ahora, científicos del Livermore National Laboratory (LLNL), en Estados Unidos, han conseguido al menos una parte de este objetivo: por primera vez, han logrado en una reacción de fusión liberar más energía que la que absorbe el combustible utilizado en el proceso, informa Sinc.

Según detalla el LLNL, esto ha supuesto obtener unas “ganancias de combustible" mayor que la unidad en el proceso, esto es, que la energía generada a través de las reacciones de fusión sea superior a la cantidad de energía depositada en el combustible de fusión.

En un artículo publicado en la revista Nature, los autores del avance detallan una serie de experimentos realizados en el National Ignition Facility (NIF), en los que se ha constatado una mejora en el rendimiento alrededor de 10 veces superior al conseguido en experimentos anteriores.

"Realmente es emocionante ver cómo de forma sostenida aumenta la contribución a la producción del proceso, aunque queda trabajo por hacer y problemas de física que necesitan ser abordados antes de que lleguemos al final", comenta el primer autor del trabajo, Omar Hurricane.

El reto pendiente, por tanto, sería obtener una “ganancia” en todo el sistema, de tal forma que la energía total empleada para controlar la reacción en el proceso de fusión nuclear (conocida como “ignición termonuclear”) sea superada por la energía producida.

Confinamiento y láser

Los experimentos desarrollados en el NIF se hicieron con un tipo de confinamiento del combustible conocido como confinamiento inercial (FCI).

Éste consiste en una esfera que contiene un combustible (deuterio y tritio o DT), y que es tan densa que de ella no puede escapar prácticamente ninguna partícula.

La esfera se introduce en una cavidad, donde se desarrolla la reacción. Una vez dentro, sobre ella se hace incidir un haz de láser que aumenta la energía de su capa externa. Esta energía transcurre hacia el interior de la esfera en forma de partículas alfa, y provoca la implosión del combustible, lo que a su vez produce más partículas alfa.

Este proceso de retroalimentación es el mecanismo que propicia la ignición. La radiación emitida se va depositando en las paredes de la cavidad y luego es transferida a un líquido refrigerante. Así se consigue la energía.

Los experimentos de los científicos del LLNL fueron cuidadosamente diseñados para evitar la desintegración del armazón plástico que rodea y confina el combustible DT, a medida que es comprimido por la energía vertida sobre él. Los investigadores habían teorizado que dicha desintegración podría ser la causa del rendimiento degradado de los procesos de fusión, observado en experimentos previos.

Lo consiguieron modificando el haz de láser utilizado, hasta suprimir la inestabilidad que causa la desintegración del armazón. Señalan que el alto rendimiento conseguido como consecuencia podría confirmar su hipótesis.

Por otra parte, según Hurricane, los resultados experimentales encajaron con simulaciones computacionales previas mucho mejor que otros experimentos, lo que establece un importante estándar de comparación para los modelos usados para predecir el comportamiento de la materia bajo condiciones similares a las generadas durante una explosión nuclear.

Ventajas y dificultades

El inmenso potencial energético de la fusión nuclear incentiva su continuo desarrollo tecnológico y las investigaciones sobre el proceso. Para hacernos una idea, se calcula que con el deuterio existente en la Tierra se podría generar energía para más de 1.000 años.

En lo que al tritio se refiere, este combustible genera un residuo con una vida media de 13 años –frente a los más de cuatro millones de años del uranio usado en las centrales nucleares actuales-, por lo que presenta menos problemas para el medio ambiente. Además, los especialistas señalan que la energía de fusión no presenta riesgo de reacciones en cadena como las que ocurrieron en los desastres de Japón y Chernobyl.

Sin embargo, las dificultades para su concreción aún son muchas. El primer paso adelante se realizó en 1997, año en que el experimento Joint European Torus (Jet)‎, desarrollado en el Reino Unido, logró la fusión. Sin embargo, en el proceso se necesitó más energía de la que se produjo.

Las investigaciones siguen en el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), un proyecto en el que participan Europa, Rusia, India, Estados Unidos, Japón, China y Corea, y que tiene por objetivo construir en el sur de Francia un reactor de fusión que produzca diez veces la cantidad de energía que precisa. Pero, por problemas económicos y técnicos, este proyecto se encuentra retrasado y podría empezar a operar en 2020. El objetivo de ITER es lograr que la energía de fusión llegue al mercado comercial y a la tecnología espacial.

Descubierta la estrella más antigua del Universo y también una de las galaxias más jóvenes del cosmos. 

Un equipo liderado por astrónomos de la Universidad Nacional de Australia ha descubierto la estrella más antigua conocida del Universo. El astro se habría formado poco después del Big Bang, se encuentra a 6.000 años luz de la Tierra, relativamente cerca en términos astronómicos; y proporciona una idea más clara sobre cómo era el Universo en su ‘infancia’. Este hallazgo ha coincidido con otro descubrimiento de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer: el de una de las galaxias más jóvenes del cosmos. (Fuente IAC, T21)

Un equipo liderado por astrónomos de la Universidad Nacional de Australia (ANU) ha descubierto la estrella más antigua conocida del Universo. El astro se habría formado poco después del Big Bang, hace 13,7 millones de años, informa la ANU en un comunicado.
El descubrimiento ha permitido a los científicos estudiar por vez primera la química de las estrellas primigenias del cosmos, y por tanto proporciona una idea más clara sobre cómo era el Universo en su ‘infancia’.
"Esta es la primera vez que podemos afirmar con certeza que hemos encontrado la huella química de una estrella primigenia", afirma el investigador principal del estudio, el Dr. Stefan Keller.
La estrella fue descubierta con el telescopio SkyMapper‎ de la ANU, ubicado en el Observatorio Siding Spring, al sureste de Australia. Este telescopio rastrea de continuo el cosmos en busca de estrellas antiguas. Su labor se enmarca en un proyecto de cinco años cuyo fin es generar el primer mapa digital del cielo austral.
La estrella en cuestión se encuentra a unos 6.000 años luz de la Tierra, relativamente cerca en términos astronómicos, según Keller; y es una de los 60 millones de estrellas fotografiadas por SkyMapper en su primer año. Los científicos aseguran que su hallazgo ha sido como “encontrar una aguja en un pajar”, y ha sido posible gracias a la capacidad única del telescopio SkyMapper para identificar estrellas con bajo contenido en hierro a partir de su color. Keller y sus colaboradores confirmaron el descubrimiento con los telescopios Magallanes del observatorio chileno de Las Campanas.

Estrellas en la juventud del Universo
La composición de la estrella recién descubierta muestra que ésta se formó a partir de otra estrella primordial que tenía una masa de aproximadamente 60 veces la de nuestro Sol. “Para formar una estrella como nuestro Sol, se necesitarían algunos de los ingredientes básicos surgidos del Big Bang (hidrógeno y helio), a los que se añadiría una enorme cantidad de hierro –el equivalente a alrededor de 1.000 veces la masa de la Tierra”, explica Keller.
Pero, en la formación de esta antigua estrella, se precisó de un asteroide de hierro del tamaño de Australia y de una gran cantidad de carbono. “Es una receta muy diferente, que nos dice mucho acerca de la naturaleza de las primeras estrellas y de cómo éstas murieron”, añade el científico.
Keller señala que, hasta ahora, se pensaba que las estrellas primigenias se extinguieron tras explosiones muy violentas que contaminaron con hierro enormes volúmenes del espacio. Pero esta estrella antigua muestra signos de haber contaminado el espacio con elementos más ligeros, como carbono y magnesio; y además no ha dejado ninguna señal de contaminación con hierro.
La conclusión es la siguiente, según Keller: "Este hecho indica que la explosión de supernova de la estrella primordial fue de una energía sorprendentemente baja, aunque suficiente como para desintegrarla. Durante la eclosión, casi la totalidad de los elementos pesados que formaban aquella estrella, como el hierro, fueron consumidos por un agujero negro formado en el núcleo mismo de dicha explosión", asegura.
Este resultado podría resolver una discrepancia entre las observaciones de datos y las predicciones del Big Bang. El descubrimiento ha sido publicado en la última edición de la revista Nature.

También una de las galaxias más jóvenes
El descubrimiento de los astrónomos australianos ha coincidido con otro hallazgo realizado con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer. El Jet Propulsion Laboratory de la NASA informa de que, con estos instrumentos, se ha descubierto lo que podría ser una de las galaxias más distantes conocidas.
Como está tan lejos, es muy antigua (en astrofísica, cuanto más lejos se encuentra un objeto, más ha tardado su luz en llegarnos y, por tanto, más joven lo estamos viendo), se calcula que de la época en que nuestro universo tenía sólo 650 millones de años (ahora mismo tiene unos 13,8 mil millones de años).
La galaxia, bautizada como Abell2744_Y1, sería unas 30 veces más pequeña que la Vía Láctea, y produciría alrededor de 10 veces más estrellas que ésta, un comportamiento típico de las galaxias del Universo joven. Por otro lado, Abell2744_Y1 contiene no sólo estrellas, sino también una gran cantidad de gas, ha constatado el análisis de las observaciones del telescopio Spitzer.
La luz de Abell2744_Y1 ha viajado por el Universo unos 13.000 millones de años, siendo una de las galaxias más brillantes descubiertas en esas épocas cósmicas tan jóvenes. Por eso aporta nueva información sobre la densidad y las propiedades de las galaxias en el universo temprano.
El descubrimiento de la jovencísima galaxia Abell2744_Y1 ha sido realizado en el marco del proyecto “HST Frontier Fields” (Campos Frontera del Hubble), que en los próximos tres años estudiará seis cúmulos de galaxias que, como lentes adicionales, actúan amplificando la luz de las fuentes de fondo, incluyendo galaxias muy débiles hasta el borde del universo observable. En este proyecto participa un equipo internacional liderado por astrónomos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de La Laguna (ULL), publica el propio IAC en un comunicado.
Entre los cúmulos de galaxias a analizar por HST Frontier Fields está el cúmulo galáctico Abell 2744, en el que se encontró la joven galaxia mencionada. El proyecto ha conseguido ya la primera imagen de larga exposición de dicho cúmulo, la más profunda obtenida hasta ahora de un cúmulo de galaxias. Los resultados aparecerán publicados en la revista Astronomy and Astrophysics Letters.

Avance en computación cuántica: Crean un chip de silicio que genera sus propios fotones

Se trata de un sistema cuántico minúsculo, desarrollado en la Universidad de Bristol (Fuente: T21, Universidad de Bristol)

Un grupo de investigación internacional dirigido por la Universidad de Bristol, en Reino Unido, ha dado un paso importante hacia la computación cuántica al reducir componentes fundamentales para integrarlos en un microchip de silicio. Así han conseguido desarrollar un sistema cuántico minúsculo capaz de generar sus propios fotones, haciendo innecesarios los fotones externos. El avance allana el camino hacia el ordenador cuántico completo.

Los ordenadores cuánticos, y este tipo de tecnología en general, aspira a convertirse en el próximo avance tecnológico importante, capaz de reemplazar los dispositivos de computación convencionales en aplicaciones que van desde comunicaciones ultra-seguras y sensores de alta precisión, a ordenadores increíblemente potentes.

También se prevé que su incursión propicie grandes avances en el diseño de nuevos materiales y en el descubrimiento de novedosos medicamentos.

Todo ello sería posible gracias a la velocidad que aportan los bits cuánticos que, a diferencia de los bits convencionales y los transistores, que sólo pueden estar en uno de los dos estados posibles al mismo tiempo (1 ó 0), pueden encontrarse en varios estados simultáneamente. Esto les permite contener y procesar mucha más información y a mayor velocidad.

Sin embargo, se trata de una tecnología aún en fase temprana, aunque poco a poco se van dando pasos decisivos. El último proviene de un equipo de investigación internacional dirigido por la Universidad de Bristol, en Reino Unido, que ha generado y manipulado por primera vez partículas individuales de luz –o fotones-, en un chip de silicio.

Este enfoque revolucionario explota procesos y principios propios de la ingeniería para dar pasos agigantados en un campo hasta ahora dominado por los científicos. El objetivo es común, avanzar en la carrera para dar forma a un ordenador cuántico, y esta vez parecen haber encontrado una de las piezas más importantes del rompecabezas, según explica la propia universidad en un comunicado.

La novedad de la investigación es el trabajo conjunto de científicos e ingenieros, dirigidos por el doctor Mark Thompson. El avance ha sido tal, que algunos ya lo han descrito como el circuito cuántico más complejo jamás realizado. Prueba de su repercusión es también su aparición en portada del último número de la prestigiosa revista científica Nature Photonics.

Representación de la conexión entre los dos fotones de entrelazamiento cuántico. Fuente: Universidad de Bristol
Representación de la conexión entre los dos fotones de entrelazamiento cuántico. Fuente: Universidad de Bristol
Integración

Los investigadores construyeron un chip capaz de exponerse al ataque directo de un rayo láser. A continuación, la luz cuántica producida se combina usando un divisor de haz integrado también en el dispositivo.

Por ello, el equipo sugiere que su invención -básicamente, un sistema cuántico integrado en un chip-, hace innecesarios los fotones externos, creando el camino hacia un ordenador cuántico completo.

“Nos sorprendió lo bien que las fuentes integradas actuaron juntas”, admite Joshua Silverstone, autor principal del artículo. Según explica el investigador, estos componentes producen fotones idénticos de alta calidad de una manera reproducible, lo que confirma que se podría fabricar un chip de silicio con cientos de fuentes similares dentro trabajando juntas. “Esto podría conducir a una computadora cuántica óptica capaz de realizar cálculos enormemente complejos”, subraya Silverstone.

De momento, los detectores de fotones únicos, las fuentes y los circuitos se han desarrollado por separado en el silicio, pero ponerlos todos juntos e integrarlos en un chip ha sido un “enorme desafío”, en palabras del líder del grupo.

Destaca también que a pesar de tratarse del circuito cuántico fotónico más complejo funcionalmente hasta la fecha, el dispositivo fue fabricado por Toshiba usando exactamente las mismas técnicas utilizadas para crear dispositivos electrónicos convencionales. Sin embargo, el resultado permite generar y manipular el entrelazamiento cuántico dentro de un solo microchip de tamaño milimétrico.

El grupo, que incluye a investigadores de Toshiba Corporation (Japón), la Universidad de Stanford (EEUU), la Universidad de Glasgow (Reino Unido) y la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), planea ahora integrar los componentes necesarios restantes en otro chip para demostrar que es posible crear dispositivos cuánticos de gran escala utilizando fotones.

Ingeniería cuántica

“Nuestro grupo ha estado haciendo progresos constantes en los últimos cinco años hacia una computadora cuántica que funcione”, explica Thompson. Así, en los próximos dos años esperan desarrollar equipos con fotones lo suficientemente complejos como para rivalizar con hardware de computación moderna en tareas altamente especializadas.

Sin embargo, estos son sólo los primeros pasos. Para desarrollar equipos cuánticos realmente útiles se requiere un nuevo tipo de ingeniería y de profesionales. Ingenieros cuánticos, individuos capaces de comprender los fundamentos de la mecánica cuántica y aplicar esos conocimientos a problemas del mundo real.

El recién creado Centro para la Formación Doctoral en Ingeniería Cuántica de Bristol formará a una nueva generación de ingenieros, científicos y empresarios para aprovechar el poder de la mecánica cuántica y liderar la revolución de esta tecnología. Este innovador centro tratará de cubrir los huecos existentes entre física, ingeniería, matemáticas y ciencias de la computación, trabajando en estrecha colaboración con químicos y biólogos e interactuando a la vez con la industria.