Matemáticas para descifrar el sentido del olfato

Cierre los ojos unos segundos. Imagine un bosque lleno de vida. Los distintos animales bailan en cortejos en los que muestran sus mejores atributos, con el objetivo de reproducirse. De fondo, hay algo invisible, olores que provocan la atracción entre machos y hembras. Para asegurar la pervivencia de la especie hay un sentido que es clave: el olfato. ¿Qué sabemos sobre cómo los sentidos reciben los estímulos, o cómo los órganos asociados los captan? Y ¿cómo, por medio del sistema nervioso, estos son conducidos y transformados en impulsos nerviosos hasta el cerebro donde son interpretados? Lo cierto es que, las ciencias matemáticas han invertido relativamente poco esfuerzo en establecer modelos de los sentidos, que permitan entender mejor su funcionamiento. Quizás, encantados por la magia que percibimos detrás del don de los sentidos, preferimos limitar nuestra curiosidad y no arriesgarnos a romper el hechizo. Sin embargo, recientemente se están realizando los primeros avances.

En su evolución, el cerebro de los seres vivos ha desarrollado habilidades que les permiten beneficiarse al máximo del entorno, solucionando los problemas de supervivencia y reproducción en el ancestral ambiente cazador-recolector. Los sentidos son la herramienta básica con que recibimos los estímulos provenientes del medio ambiente. Y son también responsables de nuestra percepción de la belleza del mundo, circunstancia que explica la aparición del arte. La dinámica detrás de esta dualidad estímulo-sentido es virtuosa, principalmente, a muy temprana edad: en el seno materno se comienzan a construir los circuitos neuronales y estos van disminuyendo hacia los 8-10 años; y a partir de los 10, no se desarrollan prácticamente nuevas conexiones, sino que se desarrollan nuevas habilidades, utilizando las conexiones ya establecidas en los primeros años. La relación estímulo-sentido influye enormemente en el desarrollo neuronal, estableciendo conexiones y sinapsis neuronales. Estas, a su vez, dan lugar a estructuras funcionales en el cerebro que permitirán configurar las condiciones para el aprendizaje futuro, aumentar la sensibilidad estética y desarrollar la creatividad.

En particular, el sistema olfativo ­–formado esencialmente por redes de neuronas–recibe en la mucosa nasal las feromonas, pequeñas moléculas con las características químicas de un olor, que ponen en marcha los procesos físico-químicos que terminan generando una leve corriente eléctrica, el impulso nervioso, que llega al cerebro a través de los axones neuronales. Esta corriente es la que genera la información en nuestro cerebro de percepción de un olor concreto.

Todo estudio de sistemas biológicos debe comenzar por comprender la fisiología subyacente, y los modelos matemáticos permiten ver más allá de lo que alcanzan los microscopios electrónicos a día de hoy. Con ellos se logra un mejor conocimiento de la microestructura física y fisiológica que gobierna, en el caso del olfato, la conversión de información química sobre olores en un impulso nervioso. En particular, se ha conseguido entender el rol de los llamados cilios olfatorios, que pueblan el extremo más lejano de los axones que alcanzan la mucosa nasal.

Para construir estos modelos son fundamentales las técnicas matemáticas de problemas inversos. Estos se caracterizan por el hecho de que los parámetros centrales del modelo son obtenidos a partir de los datos observados. Un ejemplo típico es una ecografía, donde se conoce cómo un chasquido de ondas de ultra sonido rebota en los tejidos corporales y a partir de ello se desea determinar la composición y forma de los mismos.

Pero, por el momento, el proceso de procesamiento del impulso nervioso generado es un gran misterio. Intuitivamente, podríamos decir que experimentamos una emoción que afecta nuestro comportamiento: podemos sentir desagrado, excitación, recuperar un recuerdo... Pero no sabemos cómo se provoca ese mecanismo. Por supuesto, el funcionamiento de los cuatro sentidos restantes ­–visión, oído, tacto y gusto– encierra preguntas y desafíos similares: ¿cómo procesa nuestra conciencia los estímulos externos una vez reducidos a impulsos nerviosos? Y, después, ¿cómo este mecanismo nos lleva a convertirnos en quiénes somos? ¿Cómo podemos abordar estos desafíos desde la matemática? ¿Es posible proporcionar a fenómenos de tal alcance una representación matemática que nos permita comprender y actuar? Las respuestas a muchas de estas grandes preguntas serán tarea para la ciencia del futuro.

Carlos Conca es profesor en el Departamento de Ingeniería Matemática e investigador del Centro de Modelamiento Matemático de la Universidad de Chile. Impartió la conferencia “Modelling our sense of smell” en el congreso ICIAM 2019.