Pontificia universidad javeriana facultad de ingenieria



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CIS1030TK01

IMPLEMENTACIÓN DE UN MODELO DE ELECTROFISIOLOGÍA PARA EL SIMULADOR NEURONAL CORTEX 3D

SAÚL FERNANDO MARTÍNEZ RUBIO

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERIA DE SISTEMAS

BOGOTÁ, D.C.

2011

CIS1030TK01



IMPLEMENTACIÓN DE UN MODELO DE ELECTROFISIOLOGÍA PARA EL SIMULADOR NEURONAL CORTEX 3D

Autor:

SAÚL FERNANDO MARTÍNEZ RUBIO

MEMORIA DEL TRABAJO DE GRADO REALIZADO PARA CUMPLIR UNO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO DE SISTEMAS

Director

Ing. Leonardo Flórez Valencia, PhD



Jurados del Trabajo de Grado





Página web del Trabajo de Grado

http://pegasus.javeriana.edu.co/~CIS1030TK01

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERIA DE SISTEMAS

BOGOTÁ, D.C.

2011

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERIA DE SISTEMAS

Rector Magnífico

Joaquín Emilio Sánchez García S.J.



Decano Académico Facultad de Ingeniería

Ingeniero Francisco Javier Rebolledo Muñoz



Decano del Medio Universitario Facultad de Ingeniería

Padre Sergio Bernal Restrepo S.J.



Director de la Carrera de Ingeniería de Sistemas

Ingeniero Luis Carlos Díaz Chaparro



Director Departamento de Ingeniería de Sistemas

Ingeniero César Julio Bustacara Medina



Artículo 23 de la Resolución No. 1 de Junio de 1946

“La Universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus alumnos en sus proyectos de grado. Sólo velará porque no se publique nada contrario al dogma y la moral católica y porque no contengan ataques o polémicas puramente personales. Antes bien, que se vean en ellos el anhelo de buscar la verdad y la Justicia”.



AGRADECIMIENTOS

En esta sección quiero expresar mis más sinceros agradecimientos a todas aquellas personas que colaboraron en algún momento en el desarrollo de este trabajo de grado. Inicialmente dar las gracias a mi director de trabajo de grado Leonardo Flórez Valencia quien fue un guía durante toda la investigación. A mi familia quienes me apoyaron y animaron a completar el trabajo de la mejor forma posible. Finalmente a Angela Cariilo y Andrea Barraza quienes brindaron su apoyo incondicional para la revisión y mejoramiento del trabajo de grado, con el fin de que este alcanzara un alto nivel de calidad, pero a Andrea le agradezco y aprecio por apoyarme e impulsarme siempre para que yo crezca como persona y que trabajos como este cada vez se muestren mejores resultados.



ABSTRACT

Neuroinformatics is an area that is relatively new, and that in recent years shown a very significant growth. The reason why the neuroinformatics has grown so suddenly is due to the fact that studies on neurons have been found in the computer a tool that allows them to carry out assessments that were previously impossible to perform, one of these tests is as neurons behave according to different sets of input data or stimulation. This project seeks to rely on a simulation tool of neurons to carry out a module to simulate the interaction between neurons, the tool on which the work is called CORTEX 3D. CORTEX 3D is able to carry out evolutionary simulations which allow a neuron grows up, but this growth is affected by environmental characteristics, such as neurons or other substances that surround it. Based on the current design of CORTEX 3D this work to develop a generic model which could implement the various functions of the neuron. Once defined the generic model, this was used as the basis for a specific model which allowed us to add electrical functions of a neuron. Finally we developed a prototype to validate the proposed model for the electrophysiology.



RESUMEN

La neuroinformática es un área que es relativamente nueva, y que en los últimos años a mostrado un crecimiento muy significativo. La razón por la que la neuroinformática ha crecido tan rápido se debe al hecho de que los estudios realizados sobre las neuronas han encontrado en la computación una herramienta que les permite llevar a cabo evaluaciones que antes eran imposibles de realizar, una de estas pruebas es como las neuronas se comportan de acuerdo a diferentes conjuntos de datos de entrada o una estimulación estimulación en términos biológicos. Este apoyarse en una herramienta de simulación de neuronas, para desarrollar a un módulo que pueda simular la interacción entre neuronas, la herramienta utilizada se denomina CORTEX 3D. CORTEX 3D es capaz de llevar a cabo simulaciones evolutivas que permiten que una neurona crezca, pero este crecimiento se ve afectado por las características ambientales, tales como las substancias o las neuronas que se encuentran al rededor. Basado en el diseño actual de la CORTEX 3D este trabajo se enfoco en desarrollar un modelo genérico que pudiera soportar la implementación de las diversas funciones de una neurona. Una vez definido el modelo general, se utilizó como base para un modelo específico que nos permitió añadir las funciones eléctricas de una neurona. Por último, se desarrollo un prototipo para validar el modelo propuesto para la electrofisiología.



RESUMEN EJECUTIVO

La neuroinformática es un área que es relativamente nueva, y que en los últimos años ha mostrado un crecimiento bastante importante. La razón por la cual la neuroinformática ha crecido tan repentinamente es debido al hecho de que los estudios acerca las neuronas han encontrado en la computación una herramienta que les permite llevar acabo análisis que antes eran imposibles de realizarse. Uno de estos análisis permite observar cómo las neuronas se comportan según distintos conjuntos de datos de entrada o estimulaciones eléctricas, determinadas por la electrofisiología de una neurona. Sin embargo, para lograr esto, es necesario contar con aplicaciones que simulen cada una de las características de las neuronas; esto quiere decir que tomen en cuenta las características físicas, químicas y funcionales que una neurona posee. Este proyecto se apoyó en una herramienta de simulación de neuronas para la realización de un módulo que permite simular la interacción entre neuronas. La herramienta sobre la cual se trabajó se denomina CORTEX 3D. CORTEX 3D es capaz de llevar a cabo simulaciones evolutivas las cuales permiten que una neurona crezca, pero este crecimiento se ve afectado por las características del entorno, como otras neuronas o las substancias que la rodean.

Con base en la idea de desarrollar una nueva funcionalidad, se decidió agregar un módulo el cual fuera capaz de obtener las características actuales de una neurona en evolución, y sobre estos datos, llevar acabo simulaciones de impulsos eléctricos (electrofisiología). Con esto en mente, el proyecto propuso un modelo para ampliar el simulador CORTEX 3D dotándolo de una nueva capa en su diseño la cual permitirá que desarrolladores puedan implementar nuevas funcionalidades. En el proyecto se utilizó este modelo para agregar la electrofisiología .La electrofisiología son las características y funciones de naturaleza eléctrica que se presentan en la neurona, en estas últimas específicamente la electrofisiología está representada por los potenciales de acción, los cuales la neurona utiliza para enviar mensajes otras células nerviosas vecinas. El fruto de este trabajo fue un módulo para agregar funcionalidades de forma genérica a la neurona, para esto se llevó a cabo una investigación completa acerca de las neuronas en general, y a partir de esto se agregó la funcionalidad de los potenciales de acción, para lo cual se construyó un modelo especifico basado en el modelo genérico, y se implementó un prototipo el cual se validó mediante pruebas con otros simuladores que actualmente ya implementaban la electrofisiología pero que tenían un enfoque distinto al de CORTEX 3D. Una vez analizado el comportamiento de una neurona, y de como un modelo matemático que la representa, se realizó un modelo informático que permitiera llevar acabo un prototipo que simulara la transmisión de un estímulo de un punto en la neurona hasta la siguiente.

Todo este trabajo va enfocado en brindar una herramienta que permita que estudiantes e investigadores tengan la posibilidad de utilizar CORTEX 3D el cual es totalmente gratuito. A pesar de que la implementación actual de el modulo para simular las características electrofisiológicas de la neurona actualmente es solo un prototipo, ya que permite llevar a cabo investigaciones y análisis de los datos acerca de cómo neuronas con distintas características responden a estímulos con magnitudes y duraciones variables, Adicionalmente es posible entender cómo la longitud de las neuronas puede afectar la propagación del impulso nervioso en toda la extensión de la misma.



TABLA DE CONTENIDO

1.INTRODUCCIÓN 1

2.DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DE GRADO 3

2.1.DESCRIPCIÓN GENERAL 3

2.2.FORMULACIÓN 4

2.3.JUSTIFICACIÓN 5

2.4.OBJETIVOS 5

2.4.1.OBJETIVO GENERAL 6

2.4.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS 6

3.IMPACTO ESPERADO 7

4.ALCANCE Y LIMITACIONES 8

4.1.LIMITACIONES 8

4.2.ALCANCE 8

5.MARCO TEÓRICO 9

5.1.LA CÉLULA 9

5.2.ELECTROFISIOLOGÍA 10

5.3.NEURONAS 11

5.4.NEUROCIENCIAS 14

5.5.NEUROINFORMÁTICA 15

5.6.REDES NEURONALES ARTIFICIALES 16

5.7.SIMULACIONES NEURONALES 16

5.8.CIRCUITOS ELÉCTRICOS 18

5.8.1.LEY DE OHM 21

5.8.2.ANÁLISIS NODAL 21

5.8.3.CIRCUITOS DE PRIMER Y SEGUNDO ORDEN 22

5.9.MODELOS NEURONALES 23

5.9.1.MODELO LEAKY INTEGRATE AND FIRE 24

5.9.2.MODELO LEAKY INTEGRATE AND FIRE NO LINEAL 25

5.9.3.MODELO DE HODGKIN-HUXLEY 25

5.9.4.MODELO MULTICOMPARTIMIENTOS 29

5.9.5.TEORÍA DEL CABLE 32

5.9.5.1.ECUACIÓN DEL CABLE EN UNA DIMENSIÓN 33

5.9.5.2.LA CONSTANTE DE TIEMPO Y DE LONGITUD 35

5.10.MÉTODOS DE APROXIMACIÓN NUMÉRICA PARA MODELOS NEURONALES 37

5.10.1.MÉTODO DE LÍNEAS 38

5.10.2.MÉTODO DE EULER 39

5.11.MATRICES Y SISTEMAS DE ECUACIONES 41

5.12.SÍNTESIS 42

5.12.1. LA NEURONA Y SU FUNCIONAMIENTO 42

5.12.2. ANÁLISIS DE MODELOS NEURONALES 43

5.12.3.OBJETIVO GENERAL DEL MARCO TEÓRICO 43

6.TRABAJOS RELACIONADOS 45

6.1.SIMULADORES NEURONALES 45

6.1.1.GENESIS 45

6.1.2.EDLUT 47

6.1.3.NEURON 48

6.1.4.BLUE BRAIN PROJECT 49

6.1.5.CORTEX 3D 50

6.2.DISCUSIÓN 52

7.DISEÑO DE CORTEX 3D 56

8.CONTRIBUCIONES 60

8.1.MODELO GENÉRICO PARA AGREGAR FUNCIONALIDAD A LA CÉLULA 60

8.2.MODELO ELECTROFISIOLOGÍA PARA CORTEX 3D 62

8.3.IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO INICIAL 63

8.3.1.DISEÑO INICIAL DEL DESARROLLO 63

8.3.2.SELECCIÓN DEL MODELO NEURONAL 64

8.3.3.SELECCIÓN DEL MÉTODO NUMÉRICO 64

8.3.4.FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO 66

8.3.5.PRUEBAS DE VALIDACIÓN 68

8.3.6.PRUEBAS ESTADISTICAS 71

8.3.7.PRUEBAS DE PROPAGACIÓN 74

9.CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 76

10.REFERENCIAS 79

ANEXOS 83

DATOS DE SIMULACIÓN 83



TABLA DE ILUSTRACIONES


TABLA DE ILUSTRACIONES



Tabla 1 Comparación de Trabajos Relacionados 65

Tabla 2 Datos de Simulación 81

Tabla 3 Datos NEURON vs CORTEX 3D 83

  1. INTRODUCCIÓN


El ser humano siempre ha intentado comprender la naturaleza para aplicar los conocimientos adquiridos. De esta forma, se ha evolucionado cada vez más llegando incluso a realizar todo tipo de invenciones mucho más eficientes que las creadas por la naturaleza, todo esto a partir de lo que se ha aprendido de la misma. Todo esto es posible gracias a las capacidades que posee el cerebro, las cuales permiten razonar acerca de cada evento que se percibe y tratar de descifrarlo en términos de alguna de las distintas ciencias, de tal forma que sea posible utilizar este nuevo conocimiento para el beneficio propio ya sea para crear nuevas cosas o para poder llegar a entender conceptos más complejos. No obstante, a pesar de todos los conocimientos adquiridos, no se ha logrado resolver algunas de las cuestiones más fundamentales referentes a esta capacidad de analizar información, algunas de estas son: ¿Cómo funciona el cerebro humano? ¿Qué mecanismos permiten que el cerebro logre procesar tanta información de manera paralela, y aún más sorprendente, sin un gasto masivo de energía?

Los mayores avances en el tema del funcionamiento del cerebro se han logrado en las últimas dos décadas. Esto se debe a que campos relacionados como biología molecular, genética y visualización cerebral han logrado gran desarrollo gracias a la evolución computacional, y al desarrollo de un gran número de hipótesis que podrían explicar cómo funciona el sistema nervioso. A pesar de estos avances, dada la alta complejidad tanto del proceso de crecimiento de redes neuronales, así como el de formación de conexiones sinápticas para llegar a formar redes neuronales complejas, este alto grado de complejidad en su funcionamiento ha impedido estudiar el cerebro como un conjunto de pequeños subsistemas que conforman un sistema global con una gran cantidad de funciones. Por esta razón, la neuroinformática busca llevar a cabo un trabajo conjunto entre las ciencias de la computación y la neurociencias, el cual se espera que conlleve al descubrimiento de nuevos conocimientos acerca del cómo funciona el cerebro al verlo de manera global y realizar así análisis de grandes cantidades de información por medio de sistemas computarizados.

Para lograr entender el cerbero como un sistema global es necesario entender el funcionamiento de cada una de sus partes. Sin embargo, el entendimiento de cómo las neuronas interactúan entre sí a penas está empezando a desvelarse, por lo cual el entendimiento de las características de cada una de las neuronas y cómo éstas interactúan con otras es de gran importancia para comprender el cerebro.

En el cerebro existen distintos tipos de neuronas las cuales se clasifican según su morfología, en otras palabras según sus características físicas su forma y tamaño. Esta diversidad se debe a que el cerebro está distribuido en distintas secciones, donde cada una es encargada de una función, que interactúan con otras partes para lograr así experiencias como la visión. Un ejemplo de esto es el córtex visual, el cual se encarga del funcionamiento de la visión, dado que algunos estudios clínicos han demostrado que no es un conjunto único de neuronas el que se utiliza para la visión. Esto quiere decir que existen distintos conjuntos de neuronas para que el proceso de la visión se lleve a cabo: en algunos casos de personas con daños en el córtex visual, daños que generalmente causarían ceguera, mantenían su capacidad de ver pero el daño causaba que se volvieran incapaces de reconocer objetos. De esta manera, serían capaces de caminar esquivando distintos tipos de objetos aún sin saber que son.

Casos como éste demuestran la importancia de entender cómo cada una de las clases de neuronas interactúa entre sí para lograr un objetivo y qué factores son los que influyen para que un conjunto de neuronas de un tipo específico puedan realizar una labor distinta a otro conjunto con otras características. CORTEX 3D es una aplicación que se enfoca a la simulación de neuronas, teniendo en cuenta sus características físicas y las características de su entorno. No obstante, aún es una aplicación nueva y en proceso de desarrollo: actualmente tan sólo es capaz de construir neuronas y simular su crecimiento, el cual se puede ver afectado por características en el ambiente pues también es posible simular las substancias que rodean a la neurona.

Este proyecto realizó una investigación necesaria para adicionar al simulador CORTEX 3D la posibilidad de generar la transmisión de mensajes a través de una neurona a lo cual se denomina potenciales de acción. Estos, son impulsos eléctricos que se generan por un estímulo y se propagan por toda la neurona. Estos impulsos se comportan de manera distinta dependiendo de la morfología asociada a la neurona, y tienen como objetivo realizar cambios en los estados de la neurona los cuales influyen en el aprendizaje de un sistema de neuronas; esto se realiza mediante un proceso llamado plasticidad. Por tanto, el trabajo se inició realizando una investigación con el fin de entender la naturaleza de la neurona, entendiendo sus partes y cómo éstas interactúan. Una vez entendido esto se pasó al entendimiento de los modelos existentes, que debido a la naturaleza eléctrica del potencial de acción, representan la actividad de la neurona mediante circuitos, de donde se obtuvo una representación matemática de cada circuito asociado a cada uno de los modelos. Finalmente, se realizó un modelo de software basado en el modelo matemático y se utilizaron los métodos numéricos para aumentar la eficiencia de la aplicación, y resolver cada uno de las ecuaciones asociadas a los modelos matemáticos.

Finalmente, en la última fase se realizó un prototipo funcional de la aplicación capaz de evaluar cada una de las variables que intervienen en el momento de generar un potencial de acción. Esto con el fin de evaluar que su comportamiento sea correcto y pueda ampliarse hasta simular el comportamiento de una neurona en su totalidad.

En la siguiente sección se especificará como se realizó el proyecto cuáles son sus secciones y los objetivos a ser cumplidos.


  1. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DE GRADO


En esta sección se describen las características del proyecto, cómo decidió realizarse y en qué forma se llevó a cabo. Para esto, en las secciones siguientes se ofrecerá una descripción general del proyecto, su formulación, justificación y cada uno de los objetivos que se cumplieron en la realización del proyecto.
    1. DESCRIPCIÓN GENERAL


Dados los grandes avances que se han producido gracias a la neuroinformática en los distintos campos que componen las neurociencias y los nuevos conocimientos generados en estos campos, surge la necesidad de crear nuevas herramientas para el estudio de las diferentes características de las neuronas. Este proyecto busca realizar la investigación necesaria para entender, desarrollar e implementar un modelo de electrofisiología neuronal que se acople al simulador CORTEX 3D. Para esto, se tendrá en cuenta el enfoque del simulador que busca modelar la neurona, pero teniendo en cuenta cómo ésta cambia con el tiempo, así como las interacciones con su medio y otras neuronas vecinas.

Para cumplir con los objetivos de este proyecto, éste se dividirá en tres fases las cuales se realizan de forma iterativa, y se retroalimentarán en cada iteración, estas fases son: fase documental, fase de diseño del modelo y fase de implementación. En este documento la fase documental se puede ver en la realización del marco teórico en la sección 5. La fase de diseño del modelo corresponde a la síntesis del marco teórico y las contribuciones secciones 5.12 y 8. Finalmente la fase de implementación se ve reflejada en la realización del prototipo en la sección 8.3.

En la fase documental se cubren los temas necesarios para el entendimiento del proyecto, como una descripción de las neuronas, una aproximación a la electrofisiología y otros temas que se detallarán más adelante. Otro aspecto relevante del marco teórico son los modelos neuronales, los cuales fueron la base para llevar a cabo la implementación del proyecto, así como la sección de trabajos relacionados, donde se estudiaron aplicaciones similares con el fin de identificar qué características tiene cada una y cuales son importantes tener en cuenta para la realización de este proyecto.

La segunda fase describe los requerimientos que se definieron como necesarios para llevar acabo el modelo, los cuales se definieron y refinaron a partir de las iteraciones de la primera fase. Por otro lado, también se presenta el diseño resultante para implementar la electrofisiología en el simulador.

Finalmente, la última fase describe un prototipo funcional necesario para validar el modelo propuesto para agregar la funcionalidad de electrofisiología al simulador según toda la teoría investigada. Es preciso aclarar que se tuvieron recursos limitados tanto de tiempo como de expertos para la evaluación de la herramienta, estas limitantes que influyeron en el proyecto y se verán más adelante con mayor detalle.

Finalmente los resultados del proyecto pueden consultarse en la sección de contribuciones donde se especifica el modelo base sobre el cual se realizó el prototipo. Allí, se encuentra una descripción detallada de los componentes necesarios para el buen funcionamiento del simulador. En la siguiente sección se abordará la problemática y cómo a partir de ésta se formuló el proyecto.


    1. FORMULACIÓN


Debido a que actualmente no se comprende con exactitud la manera en la que las neuronas funcionan y se desarrollan, muchas herramientas que han surgido se enfocan sólo en tomar las características más relevantes conocidas de las neuronas y modelarlas en sistemas de simulación. Estos simuladores son importantes pues permiten llevar a cabo pruebas para determinar qué aspectos influyen en el comportamiento y desarrollo de las neuronas, y cómo al identificar dichas variables se puede comprender la manera en la que las neuronas funcionan. Es interesante ver que la mayoría de los simuladores nacieron como una herramienta para probar una característica específica como sucede en herramientas como SNNAP y GENESIS [1, 2] y en algunos casos han evolucionado al integrar nuevas funcionalidades como es el caso de CORTEX 3D, NEST y EDLUT [3, 4, 5]. Pero, ¿Qué aspectos se tuvieron en cuenta a la hora de desarrollar simuladores neuronales? Esta pregunta es muy importante dado que cada una de estas herramientas se concibió con el fin de describir los distintos aspectos de las neuronas, como en el caso de GENESIS [6] la cual se enfocó en que debía ser muy flexible en todos sus aspectos y describir la fisiología neuronal. Otro ejemplo es la herramienta CORTEX 3D [3], que se encuentra enfocado en la morfología neuronal y los aspectos importantes para que las neuronas produzcan una respuesta determinada. Entonces, ¿Qué aspectos son relevantes en el momento de desarrollar una herramienta de este tipo, teniendo en cuenta que van dirigidas a un enfoque específico?, y al conocer estos aspectos ¿Qué enfoque debe tomarse para apoyar una investigación desde el área de la neuroinformática?

Entonces de la razones anteriormente descritas surge la problemática que busca responder a la siguiente pregunta: ¿Cómo determinar qué aspectos son relevantes en el momento de realizar una herramienta de simulación que busque apoyar el estudio de las neuronas teniendo en cuenta que la herramienta debe estar enfocada a sus características morfológicas?

Para determinar qué aspectos son relevantes en el momento de construir una herramienta para la simulación, este proyecto se realizó siguiendo las fases descritas a continuación.

Fase de documentación, esta fase consistió en obtener toda la información posible a medida que el proyecto avanzaba con el fin de tener la mayor cantidad de información disponible. De esta manera se logró garantizar que el resultado contuviera todas las características necesarias para apoyar la enseñanza de estudiantes en el área de las neurociencias y la investigación por parte de expertos.

Fase de implementación, a medida que la fase de documentación se llevó a cabo, poco a poco se avanzó en la implementación de pequeños prototipos que utilizaban el conocimiento adquirido. De esta manera se pudieron realizar comprobaciones de que los conceptos se entendieron de manera correcta y poco a poco se conformó la aplicación final.

Fase de validación, en esta fase se utilizó el resultado de las dos fases anteriores comparando la implementación de prototipos contra lo teórico. Esto dio como resultado retroalimentación que permitió conocer en qué temas se debía profundizar más, así como qué partes de la implementación necesitaron correcciones para funcionar de acuerdo con lo esperado.

Para el final del proyecto se realizaron distintas iteraciones sobre cada una de las fases, lo que permitió que la documentación realizada contuviera todos los temas necesarios para que pudiera llevarse a cabo una implementación satisfactoria; también ayudó a determinar qué características eran las relevantes para la realización de la primera versión del prototipo.


    1. JUSTIFICACIÓN


A partir de la problemática que se en la sección 2.2, del hecho de que cada vez son más necesarias nuevas herramientas en el campo de las neurociencias para el estudio y el entendimiento del sistema nervioso, el presente trabajo se enfoca en responder: ¿Qué factores son relevantes a la hora de desarrollar una implementación de la electrofisiología, la cual cumpla con las características necesarias para apoyar a una herramienta como CORTEX 3D, teniendo en cuenta que está enfocado en describir la morfología neuronal?. Además, se busca que la herramienta cumpla con los criterios necesarios para ser de utilidad y de fácil entendimiento para los expertos en el área de las neurociencia y que de esta forma pueda aportar al estudio y entendimiento del sistema nervioso.

Una vez realizado un análisis de las características de cada uno de los simuladores, en la sección 6 se propone utilizar el simulador CORTEX 3D en el cual se busca implementar la electrofisiología. Esta es una característica que actualmente no posee como puede notarse en su última publicación Zubler [3]. Es un proyecto de software libre el cual está a disposición de cualquier persona interesada en el tema y con las habilidades para realizar un aporte a la herramienta.


    1. OBJETIVOS


En esta sección se encuentran los objetivos que se estableció que se debía cumplir para la realización del trabajo de grado.
      1. OBJETIVO GENERAL


Implementar un prototipo a partir de un modelo informático que permita simular el comportamiento de la electrofisiología en una neurona y realizar una visualización utilizando el simulador neuronal biológico CORTEX 3D.
      1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS


  1. Llevar a cabo una investigación del modelo biológico asociado al simulador CORTEX 3D.

  2. Llevar a cabo una investigación acerca de los modelos matemáticos asociados a la electrofisiología de las neuronas.

  3. Realizar un proceso de selección para determinar qué modelo es el mejor para realizar la electrofisiología para CORTEX 3D.

  4. Implementar un modelo informático a partir del modelo seleccionado para la electrofisiología.

  5. Implementar el sistema propuesto.

  6. Validar el funcionamiento del sistema.


  1. IMPACTO ESPERADO


Este proyecto busca contribuir al área tanto de enseñanza en las neurociencias, como al área de la investigación. En el área de la enseñanza se busca incentivar el uso de herramientas informáticas con el fin de que los nuevos estudiantes que deseen conocer acerca del comportamiento de las neuronas puedan recurrir al simulador, el cual les brindará información desde distintos puntos de vista. En el caso de este proyecto se espera que sean capaces de entender cómo la electrofisiología está ligada a características físicas de la neurona así como también a características de su ambiente. Por otro lado en el área de la investigación se busca que ésta sea una herramienta de ayuda a la hora de llevar a cabo estudios sobre comportamientos neuronales cuando se aplican determinados estímulos o cuando la neurona tiene unas características específicas.

Finalmente se espera que este sea el inicio del desarrollo de la actividad no sólo en una neurona como se planteó en este proyecto sino que a futuro sea posible llevar el trabajo aquí realizado al ámbito de redes de varias neuronas. Se busca que éstas interactúen mediante la formación de estímulos nerviosos y puedan realizarse estudios acerca de la interacción entre neuronas en redes dinámicas en crecimiento, para lo cual es muy importante el enfoque de este simulador.




  1. ALCANCE Y LIMITACIONES


Esta sección describe el alcance del proyecto el cual se encuentra es limitado por una serie de restricciones que se describirán de igual forma.
    1. LIMITACIONES


Las limitaciones que se presentaron en este proyecto se dividen en dos principalmente. La primera limitación fue el tiempo. Durante el transcurso del proyecto se le dio mayor prioridad a la investigación pues sin unas buenas bases teóricas llevar a cabo un prototipo funcional no es viable. Es importante resaltar que en el prototipo tan solo se implementaron las características necesarias para modelar la electrofisiología de la neurona, aunque en la investigación se encontraron muchas otras características y modelos que en un futuro se tiene planeado agregar.

La limitación fue la dificultad de acceder a personas expertas en el tema. Por un lado, para la realización del proyecto se tuvo acceso a expertos en Medicina y Psicología. Sin embargo, estos tan solo pudieron ofrecer un apoyo en la teoría acerca de cómo funciona una neurona desde una perspectiva biológica. Por otro lado, para conocer más acerca de los aspectos eléctricos fue necesario buscar ayuda de estudiantes de Ingeniería Electrónica, los cuales apoyaron a la teoría de circuitos pero no tenían conocimientos de la parte biológica. En conclusión, no fue posible encontrar una persona que pudiese entender el proyecto de una manera global. Por esta razón, la evaluación y validación se realizó mediante la comparación con trabajos relacionados al tema y pruebas sobre las variables que componen el modelo.


    1. ALCANCE


El alcance del proyecto se definió gracias a una investigación que ayudó a determinar qué aspectos eran los más relevantes para la implementación de la electrofisiología en una herramienta de simulación. Adicionalmente, una vez se realizó la investigación se determinaron las limitaciones que tendría el proyecto las cuales se especificaron en la sección 4.1 y a partir de esto se formularon los objetivos descritos en la sección 2.4, los cuales enmarcan hasta dónde se espera avanzar en este proyecto, qué metodología planea usarse y de qué manera se validarían los resultados.


  1. MARCO TEÓRICO


En esta sección se presentan los temas principales asociados al proyecto. A continuación se tratarán los siguientes temas: la neurona, la electrofisiología, las neurociencias y la neuroinformática. Además, se abordarán los modelos con los que actualmente se describe el comportamiento eléctrico de las neuronas. En la siguiente sección se abordará el tema de las células, esto con el fin de entender sus características principales.
    1. LA CÉLULA


La célula (ver Figura 1) es la unidad viva más pequeña en el organismo humano [7]. Existen diferentes tipos de células, cada una con una función específica. Las neuronas, por ejemplo, son las células que conforman el sistema nervioso y se encargan de la recepción y transmisión de estímulos.

Figura 1 La Célula



La mayoría de las células comparten algunos componentes primordiales para su funcionamiento, que son:

    • Membrana Plasmática: separa el medio externo del medio interno de la célula. Su función principal es regular las substancias que pasan del interior al exterior y viceversa, todo enfocado en mantener un ambiente apropiado para garantizar el funcionamiento normal de la célula.

    • Citoplasma: El citoplasma está conformado por el citosol y los organelos. El citosol es la parte liquida interna de la célula, y está conformada por agua, solutos disueltos y partículas en suspensión. Por otra parte, los organelos son diferentes componentes que se encuentran rodeados por el citosol, cada uno con una función específica para mantener el normal funcionamiento de la célula. Algunos de los componentes que generalmente encontramos son:

    • Cito esqueleto.

    • Centrosoma.

    • Cilios y flagelos.

    • Ribosomas.

    • Retículo endoplasmático.

    • Aparato de Golgi.

    • Lisosomas.

    • Peroxisomas.

    • Proteasomas.

    • Mitocondrias.

Cada uno de estos componentes, así como algunos otros organelos presentes en células especializadas, se encuentra descrito con mayor detalle en libros especializados como Gerard J. [7].

  • El núcleo: Es un organelo que contiene la mayor parte del ADN. La mayoría de las células sólo contienen un núcleo. En su interior se encuentra un organelo denominado nucléolo el cual se encarga de la producción de ribosomas. Éstas son las encargadas del proceso de composición de nuevas proteínas, a lo cual se denomina síntesis de proteínas: este proceso se describe de forma más detallada en Gerard J. [7].

Existen algunos otros organelos en células especializadas las cuales cumplen funciones específicas, como es el caso de las neuronas las cuales poseen componentes especializados que le permiten realizar un proceso eléctrico que tiene como fin la transición de mensajes y cambio de estado en la neurona, este proceso de denomina potencial de acción y se clasifica en dentro de la rama de la electrofisiología. Para este proyecto, se enfocará en un conjunto especializado de células: éstas son las neuronas. En la siguiente sección abordaremos el tema de la electrofisiología, la electrofisiología son características de naturaleza eléctrica que se producen en el cuerpo de las neuronas.
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