news

La teoria de la matèria activa explica el comportament grupal de la formiga de foc

news picture

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

La reprogramació cel·lular permet generar xarxes neuronals que reprodueixen característiques úniques de les cèl·lules humanes

news picture

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

Identifiquen diferències en l’activitat espontània del cervell en les persones amb síndrome de Down

news picture

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

El primer xatbot de ciència ciutadana obre la recerca en salut mental

news picture

UB products 21/11/2022

Més de 80 persones s’han aplegat avui a la Reial Acadèmia de Medicina de Catalunya (Barcelona) en la primera Assemblea Comunitat Salut Mental del projecte CoActuem per la Salut Mental, en què s’han presentat els resultats d’un procés col·laboratiu desenvolupat al llarg dels darrers tres anys. Gràcies a aquest procés, ha estat possible entendre millor com funcionen les xarxes de suport social en salut mental i proposar accions per promoure-les i enfortir-les, així com validar un document final de recomanacions polítiques.

En l’acte, moderat per Itziar González, responsable dels processos de cooperació del projecte, hi han participat Josep Perelló, catedràtic de la Facultat de Física, membre de l’Institut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS) i investigador principal del projecte; Marta Poll, directora de Salut Mental Catalunya; Gemma Tarafa, regidora de Salut, Envelliment i Cures de l’Ajuntament de Barcelona, i Magda Casamitjana, directora del Pacte Nacional de Salut Mental de la Generalitat de Catalunya.

El projecte CoActuem per la Salut Mental

CoActuem per la Salut Mental s’emmarca en el projecte europeu de ciència social ciutadana Co-designing Citizen Social Science for Collective Action (CoAct), iniciat l’any 2020 i finançat pel programa Horitzó 2020 de la Unió Europea. L’han desenvolupat conjuntament Salut Mental Catalunya i el grup de recerca OpenSystems de la Universitat de Barcelona, amb la col·laboració de l’arquitecta social Itziar González-Virós.

L’objecte d’aquest projecte de recerca han estat les xarxes de suport social en salut mental, és a dir, les xarxes de relacions socials de les persones. La recerca conclou que, en el cas de les persones amb problemes de salut mental, aquestes xarxes són especialment importants: milloren la qualitat de vida i el benestar, actuen contra l’exclusió social i són un factor protector contra les recaigudes.

Més informació: 

https://www.ub.edu/web/portal/ca/ 

https://www.ub.edu/web/ub/ca/menu_eines/noticies/2022/11/039.html 

 

JOB OPENING: POSTDOCTORAL RESEARCH FELLOW AT THE UNIVERSITY OF BARCELONA

news picture

projects 18/11/2022

JOB OPENING: POSTDOCTORAL RESEARCH FELLOW AT THE UNIVERSITY OF BARCELONA

We are looking for a highly motivated postdoctoral researcher to work at the interface between Network Geometry and Machine Learning (dimension reduction techniques and neural networks). The successful applicant will work with Prof. M. Ángeles Serrano and Prof. Marián Boguñá at the Department of Condensed Matter Physics of the University of Barcelona and UB Institute of Complex Systems (UBICS). The position should start as soon as possible. The contract is for one year, renewable until the end of November 2024.

Requirements:

- A PhD in physics, mathematics, computer science, computer/electronic engineering, or other related discipline is expected.

- Expertise in complex networks and machine learning. When expertise is proved in only one of them, we require a strong motivation for learning the other.

- Excellent software development skills.

- Excellent communication skills, verbal and written (English).

Application process:

Interested applicants are requested to submit:

- A Curriculum Vitae including relevant publications and the name and contact details of 2 referees.


- An expression of interest including a statement about the adequacy of the candidate to the research group.

We promote diversity and equal opportunities, minorities in science are encouraged to apply.

Queries about this position should be sent to marian.serrano@ub.edu or marian.boguna@ub.edu.

Un nou mètode permet determinar la dimensionalitat de les xarxes complexes mitjançant la geometria hiperbòlica

news picture

UB papers 28/10/2022

Reduir informació redundant per trobar patrons simplificadors en conjunts de dades i xarxes complexes és un repte científic en molts àmbits del coneixement. A més, detectar la dimensionalitat de les dades és encara un problema de difícil resolució. Ara, un article publicat a la revista Nature Communications presenta un mètode per inferir la dimensionalitat de les xarxes complexes aplicant la geometria hiperbòlica, que captura la complexitat de les estructures relacionals del món real en dominis molt diversos.

Són autors d’aquest nou treball els investigadors M. Ángeles Serrano i Marián Boguñá, de la Facultat de Física i l’Institut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS), i Pedro Almagro, de l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Informàtica de la Universitat de Sevilla. La recerca aporta un model hiperbòlic multidimensional de xarxes complexes que en reprodueix fidelment la connectivitat, amb una dimensionalitat ultra baixa i personalitzable per a cada xarxa concreta. Això permet caracteritzar-ne millor l’estructura —per exemple, a escala de comunitats— i millorar la seva capacitat predictiva.

L’estudi revela regularitats inesperades, com ara que les dimensions de les xarxes moleculars associades a teixits biològics són extremament baixes; que la dimensionalitat que exigeixen les xarxes socials i Internet és lleugerament superior, i que els connectomes cerebrals estan a prop de les tres dimensions de la seva organització anatòmica.

Geometria hiperbòlica versus euclidiana

La geometria intrínseca dels conjunts de dades o de les xarxes complexes no és òbvia, la qual cosa és un obstacle a l’hora de determinar la dimensionalitat de les xarxes reals. Un altre desafiament és que la distància s’ha de definir d’acord amb la seva estructura relacional i de connectivitat, i això també requereix models sofisticats.

Ara, el nou enfocament té com a referència la geometria de les xarxes complexes; més en concret, el model geomètric configuracional o model SD. «Aquest model, que hem desenvolupat en treballs anteriors, descriu l’estructura de les xarxes complexes basant-se en principis fonamentals», explica la professora M. Ángeles Serrano, que és investigadora ICREA del Departament de Física de la Matèria Condensada de la UB.

«Més específicament —continua—, el model postula una llei d’interconnexió dels elements de la xarxa (o nodes) que és de tipus gravitatori, de manera que nodes més propers en un espai de similitud (de geometria esfèrica en D dimensions) i amb més popularitat (una dimensió extra que correspon a la importància del node) tenen més probabilitats d’establir connexions».

En l’estudi, les variables de similitud i de popularitat es combinen per donar lloc a la geometria hiperbòlica del model, que emergeix com la geometria natural que representa l’arquitectura jeràrquica de les xarxes complexes.

En treballs previs, l’equip havia aplicat la versió més simple del model SD en una dimensió —el model S1— per tal d’explicar moltes de les característiques típiques de les xarxes del món real: la propietat de món petit (els sis graus de separació); les distribucions heterogènies del nombre de veïns per nodes, i els alts nivells de relacions transitives (connexions en triangle que es poden il·lustrar amb la frase «l’amic del meu amic és també el meu amic»).

«A més, l’aplicació de tècniques d’inferència estadística ens permet obtenir mapes de xarxes reals en el pla hiperbòlic que són congruents amb el model establert», destaca la investigadora. «Més enllà de la visualització, aquestes representacions s’han utilitzat en multitud de tasques que inclouen els mètodes de navegació eficient, la detecció de patrons d’autosemblança, la detecció de comunitats de nodes fortament interactius i la implementació d’un procediment de renormalització de xarxes que evidencia simetries ocultes en l’organització multiescalar de les xarxes complexes i que permet produir rèpliques de la xarxa a escala reduïda o augmentada».

Ara, l’equip infereix quina és la dimensionalitat de l’espai hiperbòlic subjacent a les xarxes reals a partir de propietats que es relacionen amb la dimensió de la seva geometria. En particular, el treball mesura l’estadística de cicles d’ordre superior (triangles, quadrats, pentàgons) associats a les connexions.

Més informació a: https://www.ub.edu/web/ub/ca/menu_eines/noticies/2022/10/046.html?

Article de referència:

Almagro, P.; Boguñá, M.; Serrano, M. A. «Detecting the ultra low dimensionality of real networks». Nature Communications, octubre de 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33685-z

 

Activitats UBICS a la Setmana Ciència 2022

news picture

UB projects 26/10/2022

Un any més l'UBICS participarà a la Setmana de la Ciència UB. Aquest any presentem les següents activitats:

EL CERVELL HUMÀ: COM L'ESTUDIEM, COM ENS ENGANYA I QUINES SORPRESES AMAGA
Dia: 14 Novembre
Lloc: Aula Eduard Fonseré, Facultat de Física UB
Ponent: Dr. Jordi Soriano

EXPLORANT ELS SISTEMES COMPLEXOS
Dia: 14 Novembre
Lloc: ONLINE
Ponent: Dr. Albert Diaz-Guilera

EL MÓN ANIMAL I L'ECOLOGIA EXPLICADES AMB EINES FÍSIQUES SORPRENENTS I DIVERTIDES
Dia: 18 Novembre
Lloc: Aula Eduard Fonseré, Facultat de Física UB
Ponent: Dr. Jordi Soriano

Activitats gratuïtes. Inscripcions a: ubics@ub.edu

Més informació: https://setmanaciencia.fundaciorecerca.cat/frontend/activitats.asp

Beques UBICS a Beques de col·laboració de tardor UB

news picture

UB grants 21/10/2022

Ja ha estat publicada la següent convocatòria de Beques i Ajuts:

  • Convocatòria ordinària de Tardor, de 17 d’octubre de 2022, de trenta beques de col·laboració (CODI 2022.9)

 Trobareu les convocatòries a l'apartat de Convocatòria d'ajuts i subvencions de la Seu Electrònica de la Universitat de Barcelona. També podeu trobar informació a la adreça web i la  Seu electrònica de la Universitat de Barcelona. Trobareu les convocatòries a l'apartat de Convocatòria d'ajuts i subvencions de la Seu Electrònica de la Universitat de Barcelona.

Els estudiants interessats a demanar aquestes beques hauran d’omplir el formulari de sol·licitud a la Seu a partir de dijous 20 d’octubre fins al 10 de novembre.

L'Institut UBICS també oferta dues beques dins d'aquesta convocatòria. 

Qualsevol dubte escriviu a ubics@ub.edu.

Beques UBICS a Master + UB

news picture

UB grants 19/10/2022

Ha estat publicada a la web de Beques i Ajuts al estudiant i a la Seu Electrònica de la Universitat de Barcelona la següent convocatòria:

  • Programa Màster+UB de captació d'estudiants per a cursar un màster universitari i incentivar vocacions científiques en el sí d'un grup de recerca (2ª convocatòria) , curs 2022-2023 (codi 2022.8)

Trobareu la convocatòria a l'apartat de Convocatòria d'ajuts i subvencions de la Seu Electrònica de la Universitat de Barcelona. 

Des de l'Institut UBICS ofertem 2 beques dins d'aquesta convocatòria per estudiants de Màster que vulguin realitzar el seu TFM amb un membre del UBICS. L'estudiant ha d'estar matriculat a temps complet d'un dels Màsters següents: Màster de Modelització Computacional Atomística i Multiescala en Física, Química i Bioquímica, Màster de Fonaments de la Ciència de Dades, Màster de Ciència Cognitiva i Llenguatge, Màster Interuniversitari en Intel·ligència Artificial (UB, UPC, URV), Màster d'Enginyeria Biomèdica i/o Màster en Física dels Sistemes Complexos i Biofísica.

Per demanar aquestes beques l'estudiant haurà d’omplir el formulari de sol·licitud a la Seu a partir de dilluns 17 d’octubre fins al 4 de novembre.

La convocatòria porta associats uns ajuts complementaris finançats pel Banc de Santander. Les persones que vulguin obtenir aquest ajut hauran d’omplir, a més, el formulari web del  Banc de Santander.

 

Noves evidències sobre les bases genètiques del tracte vocal

news picture

UB papers 10/10/2022

ENGLISH VERSION

Tot i la seva importància per parlar, respirar i menjar, hi ha relativament poc coneixement sobre els fonaments genètics del tracte vocal humà, un sistema format per cavitats i òrgans com la llengua, la laringe o els llavis. Un nou consorci de genetistes, neurocientífics i lingüistes, creat per Dan Dediu, professor ICREA de la Facultat de Filologia i Comunicació i membre de l’Institut de Sistemes Complexos (UBICS) de la Universitat de Barcelona, i Dorret Boomsma, del Registre de Bessons dels Països Baixos (NTR) de la Universitat Lliure d’Amsterdam, ha calculat l’heretabilitat de molts dels components del tracte vocal basant-se en imatges 3D de ressonància magnètica estructural en 632 bessons monozigòtics i dizigòtics.

Els resultats, publicats a la revista Human Genetics, aporten noves proves sobre la manera com els factors genètics i ambientals actuen conjuntament en la definició de les diferències anatòmiques entre les persones. Els participants eren bessons voluntaris no seleccionats per salut o malaltia.

Les conclusions de l’estudi obren noves vies per comprendre la complexitat de la genètica, l’entorn i la cultura, que junts donen forma al nostre tracte vocal, i per ajudar a explicar les diferències fonètiques i fonològiques entre les llengües. «És difícil trobar característiques humanes que no hagin estat objecte d’un estudi de bessons, però sorprenentment aquest és el primer gran projecte que estima l’heretabilitat del tracte vocal humà en bessons», afirma Dorret Boomsma, catedràtica de la Universitat Lliure d’Amsterdam.

«El pas següent és relacionar aquestes troballes anatòmiques amb els efectes sobre la idiosincràsia de la veu i l’articulació del llenguatge. Aquests resultats indiquen que els factors genètics i ambientals, inclosos els culturals, interactuen per donar forma al tracte vocal, i indiquen que cada estructura —fins i tot les parts d’una estructura— té una constel·lació d’interaccions pròpia», afirma Dan Dediu, que va iniciar aquest estudi a l’Institut Max Planck de Psicolingüística de Nimega (Països Baixos), juntament amb investigadors de la Universitat Lliure d’Amsterdam (Països Baixos), la Universitat de Tecnologia de Nanyang (Singapur) i la Universitat de Constança (Alemanya).

Avantatges de les cohorts de bessons

L’estudi s’ha dut a terme gràcies a les dades recollides en cinc estudis de bessons pel Registre de Bessons dels Països Baixos. L’avaluació de les imatges de ressonància magnètica estructural preses en bessons permet fer una estimació de les contribucions dels gens i l’entorn a la variació de l’anatomia del tracte vocal. Tal com va declarar Emily Jennings, que va treballar en aquest projecte en el marc de la seva tesina de màster a la Universitat Lliure d’Amsterdam, «l’experiment únic de la natura amb bessons monozigòtics, que són gairebé genèticament idèntics, i amb bessons dizigòtics, que comparteixen de mitjana el 50 % del genoma, permet conèixer la importància relativa dels factors genètics i ambientals per explicar les diferències entre persones en l’anatomia del tracte vocal».

Anàlisi detallada dels aspectes del tracte vocal no visibles externament

Per mesurar els aspectes del tracte vocal que no són visibles de manera externa, els investigadors van analitzar aquestes imatges en 3D, que capten les característiques anatòmiques de les estructures toves i rígides del tracte vocal.

Un aspecte innovador de la metodologia emprada en aquest estudi és que l’anàlisi d’aquestes imatges la van fer dos investigadors independents, que primer van formar-se en un protocol rigorós i basat en la literatura antropològica i fonètica. Seguint aquest protocol, durant sis mesos de treball intensiu van marcar les imatges 3D per identificar-hi estructures anatòmiques clarament definides i descriure-hi corbes i superfícies. A partir d’aquestes marques, van obtenir un conjunt de mesures, com ara distàncies, angles, curvatures, proporcions, etc., que els permetien captar les dimensions i la forma de les estructures del tracte vocal i les seves interrelacions. A continuació, aquestes dades es van analitzar mitjançant models d’equacions estructurals genètiques, cosa que va permetre estimar la contribució dels gens a aquestes estructures, controlant possibles factors de confusió en les dades, com el sexe, l’edat o el volum intracranial dels participants, i aprofitant la informació proporcionada pels dos investigadors, que van puntuar totes les dades.

Troballes noves i inesperades

Els resultats aporten noves proves sobre les contribucions relatives dels factors genètics i ambientals, que van sorprendre els mateixos investigadors. Entre aquests hi havia «la posició de la laringe, que sembla estar sota una forta influència genètica, mentre que diversos components ossis, com les arcades dentals i la volta palatina, tenen una baixa heretabilitat», explica Scott Moisik, de la Universitat de Tecnologia de Nanyang. Estudis anteriors van indicar que aquests components semblen canviar de forma en resposta als efectes causats pels tractaments dentals, pel tipus de dieta i fins i tot pel costum de mamar-se el dit durant la infantesa. Tot i això, «hi ha altres estructures òssies, com la cavitat nasal i la mandíbula, que semblen ser força resistents a aquestes influències ambientals», afegeix Moisik. Aquests resultats demostren que la genètica importa, però no de manera uniforme, «en diversos graus i en diversos llocs del tracte vocal, i això vol dir que val la pena buscar els gens que hi estan implicats de debò». «Però també vol dir», continua, «que la genètica no ho controla tot, cosa que significa que podem començar a buscar els mecanismes a través dels quals interactuen la biologia, l’entorn i la cultura».

Aquesta influència de la cultura és un element que també s’ha esmentat en estudis anteriors, els quals, per exemple, van demostrar que «el tipus d’aliments que solen menjar els agricultors i els caçadors-recol·lectors els afecta les dents i això, al seu torn, influeix en el fet que el seu idioma faci servir o no sons com [f] o [v], que són més utilitzats pels agricultors», assenyala Dan Dediu.

Dades i metodologia obertes a altres grups de recerca

La metodologia i els programes desenvolupats durant l’estudi estan disponibles de forma gratuïta per a qualsevol investigador que hi estigui interessat, de manera que «qualsevol grup pot aplicar exactament la mateixa metodologia a les seves mostres, la qual cosa que permet reproduir i ampliar el nostre estudi», afirma Dediu. «A més», afegeix l’investigador, «aquest protocol elaborat per mesurar quantitativament el tracte vocal podria ajudar en el futur a identificar, diagnosticar i fer el seguiment de patologies que afecten el tracte vocal».

Cerca de gens

El següent objectiu dels investigadors és començar a cercar gens relacionats amb les estructures del tracte vocal. Per això, el pròxim pas és combinar aquestes dades amb les del genotip. Els investigadors necessitaran ampliar el nombre de mostres per identificar alguns dels gens implicats mitjançant estudis d’associació de tot el genoma o de puntuacions poligèniques. Aquests gens es poden estudiar amb altres mètodes (línies cel·lulars, models animals, organoides, etc.) a fi de comprendre millor els mecanismes implicats en el desenvolupament de l’anatomia vocal. «A més, aquestes troballes es podrien fer servir per comparar les dades de la nostra espècie amb, per exemple, els neandertals i els denisovans, i veure si també podem inferir-ne alguna cosa sobre el desenvolupament de la seva parla», conclou Dediu.

 

Article de referència:

Dediu, D.; Jennings, E. M.; Van’t Ent, D.; Moisik, S. R.; Di Pisa, G.; Schulze, J.; de Geus, E. J. C.; den Braber A.; Dolan, C. V.; Boomsma, D. I. «The heritability of vocal tract structures estimated from structural MRI in a large cohort of Dutch twins», Human Genetics, 2022. DOI: doi:10.1007/s00439-022-02469-2.

1