1 Complejidad Universalidad Neurociencia.. Dia 1 Clase 1 www.chialvo.net enzotagliazucchi.com neurocurso.wordpress.com

2 Complejidad? Universalidad? Neurociencia..? Porque este curso podría serles útil? Neurona hay una sola Patrones hay muchos Clusters de varios tamaños Interacciones vs Correlaciones El cerebro es un colectivo www.chialvo.net enzotagliazucchi.com neurocurso.wordpress.com

3 Estructura Dinamica Cerebro

4 Estructura Dinamica Mitocondria

5 Proteinas GSMSDQEAKPSTEDLGDKKEGEYIKLKVIGQDSSE IHFKVKMTTHLKKLKESYCQRQGVPMNSLRFLFE GQRIADNHTPKELGMEEEDVIEVYQEQTGGHSTV Estructura Dinamica

6 La estadística que todos hemos aprendido describe la uni-formidad (gaussianas) Ejemplo: distribución de alturas Pero siempre que vemos complejidad, vemos no-uniformidad Complejidad es No-Uniformidad Distribución de pesos $ Una forma Unos pocos ricos Muchos miserables

7 Las leyes fundamentales de la física son simples, realmente simples: * Ohm’ law: I=V/R * Newton's Second Law: F net = Σ F Ext = m a * e=mc 2 Pero el mundo en que vivimos es complejo Es obvio entonces que debemos estudiar como la complejidad surge de reglas muy simples

8 Las leyes fundamentales de la física son simples, realmente simples: * Ohm’ law: I=V/R * Newton's Second Law: F net = Σ F Ext = m a * e=mc 2 Pero el mundo en que vivimos es complejo Es obvio entonces que debemos estudiar como la complejidad surge de reglas muy simples

9 En la naturaleza la complejidad emerge de la interacción mutua de muchas “partes”. Durante el curso veremos que es criticalidad y cuan “especial” deben ser las partes para poder generar esa complejidad Tambien veremos que las leyes que se aplican son universales, es decir que no importa si las partes que interaccionan son neuronas, hormigas, amino-ácidos, etc. Las analogías que haremos no son sólo metáforas, son qualitativamente y (a veces) quantitativamente versiones idénticas del mismo fenómeno complejo! Complejidad es Criticalidad

10 Example “Traffic Jamming” without any apparent reason How many times we have entered and exit a big traffic jam without seen anything wrong? No accidents, no detained cars, no idiot directing the traffic, just nothing … Let discuss a simplified toy model of such situation

11 Estructura (la red estatica de conecciones, el llamado “conectoma” ) dynamics patterns (lo que vemos) Correlaciones (lo que nosotros vemos) Interacciones (lo que una neurona ve) El problema del cerebro a resolver

12 Estructura (la red de calles) “fases” Dinámica del conductor) Veamos un problema similar mas simple: Tráfico como ejemplo de un sistema que es complejo solo cuando es crítico “sólido” “gas” 12

13 Embotellamientos Si no hay nadie enfrente a la vista (“gap”) : acelero a fondo Si hay alguien: reduzco la velocidad Modelo autómata celular de Nagel-Schreckenberg (1992) X (espacio discretizado) 123456 Cada individuo maneja siguiendo su propia ley:

14 Embotellamientos Maxima Eficiencia en el Punto Critico Flujo de autos pasando por un punto versus Densidad de autos en toda la ruta. Máximo flujo es en el punto critico (separando las dos fases) - Flujo libre - Embotellam. “Traffic Management whish to operate the route at the critical point” Flujo de vehiculos Densidad de vehiculos Dos fases Muchos autosPocos autos

15 espacio Tiempo Una sola frenada puede originar el atazco. El atazco se propaga hacia atrás... Sistema con Densidad Critica (Nagel model ) Embotellamientos Como luce la complejidad en el punto critico Embotellamientos “emergen” (ya veran Fractales). (The size distribucion is non-uniform, the mayority of jams last few minutes, but there are few that can last an eternity ) Esta complejidad emerge solo si los conductores actúan no-linealmente y si existe interacción entre ellos.

16 Eficiencia e impredictibilidad (suena Contraintuitivo?) “Las recomendaciones de Traffic Management pueden tener consecuencias no deseadas. Density of vehicles Variation in the travel time En el punto critico la eficiencia es máxima (mayor flujo) En el punto critico la variabilidad es mayor, (debido a la gran variacion de los tamaños de los atascos)... El manager quiere que la ruta opere en el punto critico. El usuario (solo ve el atazco) y si supiese mas no quisiera estar en el punto critico Embotellamientos

17 En fenomenos complejos las correlaciones en espacio y tiempo son “especiales” (larrrrgass): lo que vemos ahora en un lugar puede tener NADA que ver con lo que pasa en “ese” lugar en particular (remember the jams for no reason..) … En el modelo de tráfico, cuando se sale del atazco, no se ve NADA raro, excepto que el tráfico se acelera sin ninguna razón aparente... Ahora sabemos que la única razón real es que algo pasó en algún otro lugar...(a la densidad critica) Es evidente que, desde este punto de vista, no podemos permitir que nadie (idiota o no) decida, sólo con información local, como dirigir el tráfico; la solución podria ser peor que el problema... Moraleja (contra-intuitiva)

18 Muchos “elementos” ( o “agentes”) Cada uno obedeciendo una regla simple (pero no-lineal) Los elementos interaccionan entre ellos ya sea directa o indirectamente Atrás de la complejidad siempre habrá un tema recurrente: Ampliaremos ….

19 -Si lo crucial es la interacción y la no linealidad entonces podríamos limitarnos a mirar los sistemas complejos monitoreando solamente las interacciones? -Así es,..ese campo de estudio es el denominado “redes complejas” donde las redes son el “esqueleto” del sistema complejo.

20 En la naturaleza, prácticamente todos los fenómenos macroscópicos interesantes Desde la gravedad hasta la fotosíntesis Desde la gravedad hasta la fotosíntesis Desde la superconductividad a la contracción muscular Desde la superconductividad a la contracción muscular Desde la salud a la enfermedad Desde la salud a la enfermedad Todos son el producto de un fenómeno colectivo subyacente Todos son el producto de un fenómeno colectivo subyacente A veces la ciencia se describe como la capacidad de describir los fenómenos de nivel superior en términos de las leyes del nivel subyacente inferior. El objetivo de estos cursos es intentar lo mismo con algunos fenómenos relevantes de las ciencias del cerebro

21 Se busca presentar dos becarios doctorales (con posibilidad de cargos rentados en UNSAM) Conicet en estos temas Se buscan dos becarios postdoctorales (con posibilidad de cargos rentados en UNSAM) en estos temas para la presentacion de 2016 Si te interesa escribir a [email protected]