Un proyecto del Kempner Institute de Harvard utiliza una técnica genética innovadora y un nuevo supercomputador compacto para analizar miles de mutaciones y comprender cómo alteran la función neuronal.
Un equipo de investigadores del Kempner Institute for the Study of Natural and Artificial Intelligence de Harvard lanzó un proyecto pionero que integra biología experimental y computación avanzada para estudiar cómo mutaciones específicas en el cerebro pueden desencadenar epilepsia. La iniciativa combina una técnica genética desarrollada en Harvard Medical School con un supercomputador de escritorio capaz de ejecutar análisis antes reservados a grandes centros de cómputo.
El proyecto busca descifrar cómo variaciones genéticas alteran el funcionamiento de neuronas excitatorias e inhibitorias, cuyo equilibrio es esencial para prevenir la actividad eléctrica descontrolada del cerebro. El equipo está dirigido por Bernardo Sabatini, codirector del Kempner Institute, en colaboración con el laboratorio de Beth Stevens en el Boston Children’s Hospital.
La nueva técnica permite introducir una única mutación distinta en miles de células cerebrales, una innovación que “proporciona una oportunidad sin precedentes para estudiar en paralelo cómo cada una de muchas mutaciones afecta la función de tipos neuronales específicos”. Esta aproximación facilita identificar patrones de actividad anormal que podrían explicar por qué se producen las convulsiones.
Sabatini explica que el equipo introduce mutaciones en distintos tipos de neuronas “bajo la hipótesis de que harán a algunas neuronas más activas y a otras menos activas”. Sin embargo, una de las paradojas más llamativas que investigan aparece en neuronas inhibitorias. Algunas mutaciones aumentan su capacidad de inhibir a otras células, un fenómeno de ganancia de función, pero aun así están asociadas a circuitos cerebrales hiperactivos. Como señala Sabatini: “Necesitamos una combinación de datos experimentales y simulaciones para resolver este fenómeno contraintuitivo”.
Para comprender estos efectos, el equipo estudia unas 6 mil mutaciones, analizando cómo alteran la estructura y función de las proteínas que actúan dentro de las neuronas. Genes y proteínas forman el entramado que sostiene la señalización cerebral, por lo que incluso cambios pequeños pueden desencadenar fallas significativas en los circuitos.
Un componente clave del proyecto es el uso del NVIDIA DGX Spark, una supercomputadora de escritorio capaz de operar a velocidades de hasta un petaFLOP. Este equipo permite ejecutar el modelo de predicción de estructuras proteicas Boltz-2, una herramienta computacional que normalmente requiere infraestructura especializada.
El objetivo es integrar la supercomputación en el trabajo cotidiano de los laboratorios biológicos. “Estamos preguntando si una persona en un laboratorio de biología puede usar una máquina en su escritorio… hacer este tipo de análisis en un fin de semana sin toda la infraestructura de un clúster”, afirma Sabatini.
La portabilidad del DGX Spark permite realizar iteraciones rápidas antes de escalar análisis más complejos a la infraestructura mayor del Kempner Institute. El equipo ya ha utilizado el sistema para pruebas con proteínas pequeñas y ahora está ampliando el estudio hacia un receptor inhibitorio en el cerebro. Según Sabatini, “si podemos lograr que esto funcione en una GPU, entonces podemos lanzar 100 GPUs para probar 100 proteínas en unos días”.
Aunque el enfoque inicial es comprender la epilepsia, las implicaciones de este trabajo son más amplias. Al mapear cómo las mutaciones moldean la función de las proteínas y los circuitos neuronales, los investigadores avanzan hacia una comprensión más profunda de cómo el cerebro procesa información. Como resume Sabatini: “Este es nuestro primer paso para entender los componentes fundamentales de cada célula”.
KEMPNER INSTITUTE
https://kempnerinstitute.harvard.edu/news/decoding-epilepsy/
