- home
- ~
- about
- ~
- people
- ~
- research
- ~
- activities
- ~
- news & events
- ~
- training
- ~
- media
- ~
- network
- ~
- divulgació
- ~
- contact
Complex systems are characterized by their emergent behavior as a non-trivial result of the evolution of a considerable number of microscopic units that interact with each other. Expressed in other words: the study of complex systems seeks to understand the behavior and properties of the whole system that can not be derived directly from the study of the properties of its parts in isolation.
This is the essence of the research of complex systems, where the nature of the units is irrelevant. Associated strategies to address the study of a specific phenomenon, then, may be widely shared by a large number of phenomena characteristic of various disciplines. Even we can say that the complexity of the science itself is the result of the fusion of different disciplines and approaches on the same challenge. Therefore, the study of complex systems integrates problems and merges methodologies that can have very different origins.
The creation of the UBICS will join efforts of several groups of related research that will:
The research at the Institute is structured along four major pillars. Together, they combine the exploration of new concepts in the field of Complex Systems and their application in different scientific and social disciplines.
| Foundations | Science of Matter | Life Sciences | Social Sciences |
| Statistical Physics | Soft Matter | Molecular Biophysics | Psychology and Behavior |
| Networks | Complex Flows and Complex Fluids | Cell and Multicellular Biology | Economy and Finance |
| Dynamical systems | Active Matter | Systems Biology | Linguistics |
| Data Science | Smart Materials | Neuroscience | History |
Helsinki (Finland) 19/06/2023
Overview
The meeting is proposed to be organized in June, 2024 in Helsinki, the capital of Finland. The period is not without some interest due to the Northern sun and long days and it should be acceptable as it is in a teaching-light month for most countries. We have in a preliminary manner chosen the conference center of Hanasaari (hanaholmen.fi) in a very beautiful location, and close to a) Helsinki city center, b) a metro station, and c) Aalto University. The site offers conference facilities, a hotel, and an excellent restaurant and is within easy access from the Helsinki airport. The invited speakers would be accommodated at Hanasaari, and the location makes it so that various options are available to other participants.
Our intention is to find a program that reflects the local organizers’ interest, novel developments, and suggestions from the Advisory Committee. We are going to be looking for local sources of funding, but we expect to be able to offer accommodation as usual for the invited speakers, plus local meals, and to offer a very reasonable participant package covering lunches and the conference dinner. If funds are raised to a sufficient degree, a few student grants covering local costs is not excluded.
UB papers 20/01/2023
Les formigues són insectes socials, i l’espècie Solenopsis invicta —coneguda com «formiga de foc», originària de l’Amèrica del Sud— no n’és una excepció. Les interaccions socials d’aquest insecte invasor es poden emmarcar en el context de la teoria de la matèria activa i explicarien el comportament grupal de les formigues com a reacció a mecanismes intrínsecs a aquests sistemes d’estudi. Aquesta és una de les conclusions de l’article publicat a la revista Science Advances pels investigadors Alberto Fernández-Nieves i Caleb Anderson, de la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona i de l'Institut l'UBICS, i Guillermo Goldsztein, de l’Institut de Tecnologia de Geòrgia (Estats Units). L’estudi revela que la densitat és fonamental perquè les formigues experimentin cicles d’activitat i passin per períodes en què es desplacin de manera col·lectiva. En condicions de densitat elevada, aquests cicles d’activitat es manifesten de manera sorprenent quan la col·lectivitat de formigues s’organitza formant una columna vertical; en aquest cas, es generen unes ones d’activitat que es propaguen en sentit ascendent. La formiga de foc, model d’estudi en física La formiga de foc, un himenòpter amb una alta capacitat de reproducció i dispersió, s’utilitza des de fa temps com a model de referència per estudiar sistemes actius a alta densitat. Sota diferents condicions, la col·lectivitat de formigues experimenta el que es coneix com cicles d’activitat: el conjunt de formigues passa per estats en què bona part estan immòbils i per altres estats en què pràcticament totes es mouen. «Estudiar els sistemes actius densos en un laboratori no és trivial. Les formigues són considerades, des d’un punt de vista físic, com partícules actives que consumeixen energia química per moure’s. Es poden concentrar fàcilment per crear un sistema dens que podem utilitzar per abordar qüestions en el món de la matèria activa», detalla Alberto Fernández-Nieves, professor ICREA al Departament de Física de la Matèria Condensada i l’Institut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS). La matèria activa, en concret, es basa en partícules que es poden autopropulsar i que, a conseqüència d’això, es desplacen amb el consum local d’energia. En canvi, els constituents dels sistemes atòmics o col·loidals es mouen com a resultat de la temperatura. De l’atracció social al comportament col·lectiu En la matèria activa emergeixen dos grans comportaments: un és la transició a un estat en què el conjunt de partícules es mou en la mateixa direcció (mode col·lectiu), comportament que se sol relacionar amb els estols d’aus i els bancs de peixos; l’altre es manifesta quan la motilitat de les partícules disminueix amb la distància. En aquest cas, les partícules s’apropen i s’aturen, resultat que es pot interpretar com una atracció entre elles. En determinades condicions, aquesta atracció pot donar lloc a la formació d’agregats i, en alguns casos, a la separació entre una fase formada per formigues immòbils i una altra de formada per exemplars mòbils. Segons l’estudi, la densitat és decisiva en el canvi perquè el col·lectiu de formigues canviï entre aquests comportaments. «Si la densitat és baixa, la fase que observem està relacionada amb les atraccions socials», apunten els autors de l’estudi. «Els canvis en la fase de moviment només s’observen quan la densitat és prou elevada. Això explica per què les ones es generen sempre a prop de la base de les columnes de formigues, en què la densitat és més gran». L’estudi constata que l’atracció social de les formigues —és a dir, que interaccionin— es pot explicar com un fenomen induït a causa d’una motilitat decreixent amb la separació formiga-formiga. En canvi, quan les densitats són altes, aquesta atracció desapareix i la col·lectivitat de formigues adopta un mode col·lectiu que genera unes ones d’activitat que es propaguen cap dalt. «Aquestes ones de densitat i activitat reflecteixen que els estats dels cicles d’activitat en què totes les formigues es mouen corresponen a una fase col·lectiva, que és similar a la fase organitzada descrita, per exemple, en estols d’ocells, bancs de peixos o bandades d’animals», detallen els experts. Formigues en mode col·lectiu al medi ambient A la natura, el mode col·lectiu de les formigues de foc es pot presentar en condicions diverses. Aquests insectes, originaris d’una regió en què abunden les pluges i les inundacions, han pogut evolucionar per superar aquests episodis extrems mitjançant aquests cicles d’activitat. «Per sobreviure a aquests fenòmens, les formigues de foc construeixen balses en què tots els individus estan junts i, per tant, la seva densitat és elevada», apunta l’equip. Segons estudis previs, les formigues, quan són a les balses, viuen períodes essencialment inactius en què la forma de la balsa és circulars, i d’altres en què s’observa molt més moviment. En aquest darrer cas, la forma de la balsa es caracteritza per la formació d’extensions col·lectives amb forma de dits». En els períodes inactius, la balsa es comportaria com un sòlid elàstic, de manera que ajudaria a resistir els cops d’objectes arrossegats per la pluja. Alhora, la formació de les formes de dit permet a les formigues buscar terra ferma. Si la troben, migren a la terra; si no, tornen a agrupar-se i continuen amb aquests cicles cada cert temps fins que ho aconsegueixen. «Per això, considerem que els períodes amb moviment que comporten la formació de dits són similars al mode col·lectiu que observem en els nostres experiments i que origina, alhora, les ones de formigues en les columnes verticals». Matèria activa i sistemes fora de l’equilibri Les variacions en els estats d’agregació de les formigues també té implicacions en les propietats dels materials. «En estudis previs, vam poder comprovar que les propietats mecàniques canviaven dràsticament depenent de l’estat de la col·lectivitat de formigues. En les fases dominades per l’atracció, el comportament era semblant al d’un sòlid elàstic. Per contra, en les fases actives, la col·lectivitat es reorganitza a nivell de partícula per fluir, en certa manera, com un líquid». «Si s’analitza com un material actiu, la col·lectivitat de formigues pot canviar de comportament mecànic si modifica la seva activitat. En ciència de materials, això típicament s’aconsegueix canviant l’estructura del material. En el cas de les formigues, això és possible per estar fora de l’equilibri. La transició de sòlid a líquid és la conseqüència de mecanismes que treuen el sistema de l’equilibri i que recorden l’activitat de les partícules de la matèria activa. No hi ha canvis estructurals rellevants; les col·lectivitats de formigues són sempre desordenades. Aquest comportament ens recorda el personatge de la pel·lícula Terminator, que passa de líquid a sòlid de manera espontània. En aquest sentit, i malgrat la seva complexitat, el terminator de la pel·lícula és també matèria activa», conclou l’investigador. Articles de referència: Anderson, C.; Goldsztein, G.; Fernández-Nieves, A. «Ant Waves – Spontaneous activity waves in fire-ant columns». Science Advances, gener de 2023. Doi: 10.1126/sciadv.add0635 Anderson, C.; Fernández-Nieves, A. «Social interactions lead to motility-induced phase separation in fire ants». Nature Communications, novembre de 2022. Doi: 10.1038/s41467-022-34181-0
UB papers 23/12/2022
Els estudis sobre malalties que afecten el cervell humà solen estar basats en models animals que no són capaços de reproduir la complexitat de les neuropaties humanes. Per això, aquestes metodologies acostumen a fracassar quan s’apliquen en un entorn clínic amb pacients. En aquest context, el descobriment de les tècniques de reprogramació cel·lular per generar cultius de neurones humanes a partir de cèl·lules de la pell ha revolucionat l’estudi i el desenvolupament de teràpies innovadores en l’àmbit de les neurociències. Un estudi publicat a la revista Stem Cells Reports revela que aquesta tècnica de reprogramació cel·lular permet generar xarxes neuronals que reprodueixen característiques úniques de les cèl·lules humanes —diferents de les que s’obtenen a partir de cèl·lules de rosegador— amb unes dinàmiques temporals que recorden el desenvolupament del cervell humà. Per aquesta raó, els models cel·lulars basats en cèl·lules humanes reprogramades podrien impulsar el desenvolupament de noves teràpies eficaces en la lluita contra les neuropaties i, alhora, reduir l’ús d’animals d’experimentació al laboratori. L’estudi està dirigit per l’investigador Daniel Tornero Prieto, de la Facultat de Medicina i Ciències de la Salut, l’Institut de Neurociències de la Universitat de Barcelona (UBNeuro) i l’IDIBAPS. També hi participen els investigadors Jordi Soriano Fradera i Estefania Estévez Priego, de la Facultat de Física i l’Institut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS) i Zaal Kokaia, de la Universitat de Lund (Suècia), entre d’altres. Reprogramació cel·lular per superar els límits dels models animals Tot i compartir gran part del nostre genoma amb la majoria dels mamífers, «hi ha diferències considerables entre les nostres cèl·lules i les d’altres espècies com els rosegadors, que es fan servir com a model animal per a la majoria de les patologies», detalla Daniel Tornero, del Departament de Biomedicina de la UB. «En concret —afegeix—, hi ha unes diferències molt significatives al cervell, sobretot pel que fa a l’organització i la connectivitat. Això fa que les nostres capacitats cognitives siguin tan diferents i també explica per què els defectes que causen les patologies que afecten el nostre cervell no es reprodueixen de la mateixa manera als cervells d’aquests animals». Els límits que presenten els estudis amb models animals podrien superar-se mitjançant la tecnologia de reprogramació cel·lular, basada en la inducció de cèl·lules mare pluripotents humanes (hiPSC), un mètode desenvolupat per Shinya Yamanaka el 2007. La reprogramació cel·lular és capaç de generar cultius de qualsevol tipus cel·lular a partir de cèl·lules d’una persona adulta —de manera relativament senzilla i eficient, i sense consideracions ètiques rellevants— amb un gran potencial d’aplicació clínica en teràpia cel·lular i medicina regenerativa. En el marc de l’estudi, l’equip ha aplicat la tècnica de registres dels nivells de calci intracel·lulars per comparar les propietats dels cultius neuronals generats mitjançant la reprogramació cel·lular a partir de cèl·lules humanes amb els que s’han obtingut de cervells de rosegadors i humans. Aquesta tècnica ofereix una mesura indirecta de l’activitat neuronal: durant l’impuls nerviós, que es transmet d’una neurona a la següent, els nivells de calci augmenten de manera característica i es poden registrar per mitjà dels sensors de calci intracel·lulars. Aquest sistema d’estudi permet fer un seguiment dinàmic i amb una gran resolució de l’activitat neuronal durant tota la vida del cultiu. L’estratègia experimental es completa amb l’ús d’unes plaques especials que permeten monitorar el mateix grup de cèl·lules mitjançant unes marques que s’incorporen a la superfície del cultiu, una tècnica que minimitza les variables i genera resultats més fiables i valuosos per a l’estudi de xarxes neuronals. Diferències entre els diferents circuits neuronals L’equip ha pogut estudiar i diferenciar per primer cop les característiques pròpies dels diferents circuits neuronals generats, unes estructures biològiques que a primera vista podrien semblar idèntiques. Els resultats mostren que les neurones d’origen humà es comporten de manera diferent a l’hora de crear circuits neuronals des del punt de vista funcional. Aquestes característiques explicarien en part els problemes associats als models animals usats per estudiar les patologies del cervell humà. «En primer lloc, el que més ens crida l’atenció és l’escala temporal que determina la generació i la maduració de la xarxa neuronal. Els cultius derivats de cèl·lules humanes mostren un comportament dinàmic ric i alhora gradual, amb la qual cosa s’observa clarament el procés de maduració de la xarxa neuronal generada des dels 20 dies de cultiu fins als 45», detalla Daniel Tornero. «Durant aquest període, i gràcies als diferents descriptors que hem desenvolupat, s’ha pogut analitzar com amb el temps la xarxa neuronal va guanyant complexitat, a mesura que les neurones humanes es van connectant cada vegada més entre si», explica l’investigador. A més, les neurones humanes aconsegueixen fer connexions molt més llargues dins del cultiu, una propietat que vindria determinada per la seva biologia, ja que el cervell de l’humà és molt més gran que el dels rosegadors. «Tanmateix, els circuits neuronals generats a partir de cèl·lules de rosegador mostren un comportament monòton des de temps molt curts, gairebé sense canvis al llarg de la seva evolució», apunta Tornero. Protocols segurs i bancs de cèl·lules compatibles Els models cel·lulars basats en cèl·lules humanes reprogramades es perfilen com un pas intermedi rellevant entre els estudis animals i l’aplicació clínica. La generació d’aquests models cel·lulars per a l’estudi de malalties basats en cèl·lules humanes reprogramades es troba força establerta en els estudis preclínics (en cultius 2D o en sistemes d’òrgans en xips) i, més recentment, en l’obtenció de sistemes 3D basats en l’ús de biomaterials, organoides o bioimpressió. En medicina regenerativa, l’aplicació d’aquesta tecnologia en estratègies de teràpia cel·lular revela un gran potencial i hi ha molts assajos clínics sobre diverses patologies, com poden ser la diabetis de tipus 1, l’infart de miocardi, la lesió medul·lar, la degeneració macular o la malaltia de Parkinson. Establir protocols segurs i fiables i generar bancs de cèl·lules compatibles amb els diferents grups al·logènics presents en la població són alguns dels reptes més ambiciosos que es plantegen en aquest àmbit d’estudi. «Aquestes noves aproximacions poden ser molt valuoses per validar diferents teràpies en l’etapa preclínica, sobretot quan s’estudien patologies que afecten processos complexos basats en l’organització dels circuits neuronals, com poden ser les malalties del neurodesenvolupament, el trastorn de l’espectre autista o les patologies neurodegeneratives, entre d’altres», apunta Daniel Tornero. «A més, la reprogramació cel·lular basada en la inducció de cèl·lules mare pluripotents humanes permetria construir models específics de cada pacient i, mitjançant les eines d’edició genètica (com la tècnica CRISPR/Cas9), seria possible obtenir cèl·lules control en què la mutació que origina la patologia estigui corregida», conclou l’investigador. https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(22)00547-1
UB papers 14/12/2022
Investigadors de la Facultat de Psicologia, l’Institut de Neurociències (UBNeuro) i l’Institut de Sistemes Complexos (UBICS) de la UB han identificat, mitjançant tècniques de ressonància magnètica funcional, diferències en l’activitat espontània del cervell en repòs de persones amb síndrome de Down (SD) en comparació amb la població en general. A més, sembla que aquestes variacions estan relacionades amb les habilitats cognitives. Segons els autors, aquests resultats poden ajudar a detectar les anomalies del funcionament cognitiu provocades per aquesta síndrome, i apunten a aquest senyal cerebral com un potencial biomarcador de la neurodegeneració, «la qual cosa és molt important ateses les dificultats per avaluar la demència en aquestes persones». En el treball, publicat a la revista Scientific Reports, hi han participat les investigadores Cristina Cañete —primera autora de la recerca—, Maria Carbó i Maribel Peró, liderades per Joan Guàrdia, catedràtic de Metodologia de les Ciències del Comportament de la Facultat de Psicologia i actual rector de la UB. També han format part de l’estudi els experts Shi-Xian Cui i Chao-Gan Yan, de la Universitat de l’Acadèmia de Ciències de la Xina (Pequín). Impacte de la malaltia d’Alzheimer en la síndrome de Down La síndrome de Down és la causa genètica més freqüent de retard del desenvolupament neurològic: afecta 1 de cada 700 nascuts. L’esperança de vida d’aquestes persones ha augmentat de manera espectacular els darrers anys, però amb aquest increment també s’ha detectat un creixement de les comorbiditats, com ara la malaltia d’Alzheimer. «A causa de l’alta incidència de l’Alzheimer en la síndrome de Down, aquesta població ofereix una extraordinària oportunitat per entendre la progressió temporal d’aquesta demència, les diferents facetes que contribueixen a l’edat d’inici i també per aplicar aquests coneixements a la població en general», explica Joan Guàrdia, catedràtic del Departament de Psicologia Social i Psicologia Quantitativa de la UB. La recerca ha comparat els senyals del cervell en estat de repòs de 18 persones amb SD i el de 18 persones d’un grup de control fent servir tècniques de ressonància magnètica funcional, un tipus d’estudi que permet avaluar la funció cerebral basal i que serveix per establir diferències entre grups. Dins d’aquest paradigma, es van combinar dues tècniques d’anàlisi basades en dades: fALFF, que mesura l’activitat espontània local, i ReHo, que estima les anomalies regionals al cervell. «Són dues eines especialment útils quan no hi ha estudis ni hipòtesis que puguin guiar la recerca, com en aquest cas, en què molt pocs estudis han fet servir aquestes tècniques centrades en tot el cervell», ressalta Cristina Cañete. A més, es tracta del primer estudi que aplica aquesta tècnica a una mostra d’adults joves —d’una mitjana de 28,7 anys— amb SD. En aquest cas, l’edat dels participants és molt rellevant, ja que permet identificar l’activitat del cervell abans dels primers signes de demència associats a aquesta síndrome. «Cal tenir en compte que la neuropatologia de la malaltia d’Alzheimer és universal a totes les persones amb síndrome de Down de més de 40 anys. Això implica que, en un interval de molt pocs anys, es poden produir canvis importants en el cervell d’aquestes persones. Per tant, és vital centrar les investigacions en participants joves que encara no hagin desenvolupat els primers signes de la patologia», explica l’equip de recerca. Sorprenent relació amb les habilitats cognitives Els resultats van identificar àrees cerebrals que mostren una activitat espontània diferent entre les persones amb síndrome de Down i el grup de control, com per exemple als lòbuls frontal i temporal. Tots dos són rellevants per a les funcions executives i del llenguatge i per a la memòria, funcions molt alterades en la síndrome de Down. Aquestes dades es van relacionar amb diferents tests cognitius, incloent-hi una prova de fluïdesa verbal, dels participants. «El resultat més sorprenent ha estat la forta relació trobada entre l’activació a les àrees en què s’han trobat diferències i les proves cognitives», explica la investigadora. Davant aquests resultats, un dels reptes de l’equip investigador és esbrinar per què es donen aquestes variacions i en quin sentit poden afectar les característiques neuropatològiques d’aquesta síndrome. «Aquestes àrees semblen clau en la síndrome i podrien estar relacionades amb diferències estructurals del cervell, en les funcions que fan aquestes àrees, que estan afectades en la població amb síndrome de Down, o fins i tot podrien estar relacionades amb l’acumulació primerenca de plaques β-amiloide —típiques de la malaltia d’Alzheimer— en aquesta població», explica Cristina Cañete. A més, la recerca també obre la porta a usar aquest senyal cerebral per avaluar la neurodegeneració de les persones amb síndrome de Down. «Les dificultats en l’avaluació cognitiva d’aquesta població són enormes i calen nous mètodes, més fiables i vàlids. Per tant, una nova línia de recerca que cal investigar és l’ús del senyal cerebral com a biomarcador de la capacitat cognitiva o per poder detectar la demència de forma precoç», conclou la investigadora. Article de referència: Cañete-Massé, C.; Carbó-Carreté, M.; Peró-Cebollero, M.; Shi-Xian, C.; Chao-Gan, Y.; Guàrdia-Olmos, J. et al. «Altered spontaneous brain activity in Down syndrome and its relation with cognitive outcome». Scientific Reports, setembre de 2022. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19627-1
