Liberando el potencial de la biomímesis en medicina: inspirándose en las células de Purkinje para el desarrollo de Supercargadores de vehículos eléctricos y microchips.

"Células de Purkinje (neuronas rojas)" Imagen de Ludovic Colin doi:10.7295/W9CIL38933

"Células de Purkinje (neuronas rojas en la imagen)" Imagen por Ludovic Colin doi:10.7295/W9CIL38933

Autora: Michellie Hernandez, MD con la ayuda de ChatGPT

Publicada el 29 de Marzo, 2024

Editado el 04 de Abril, 2024

Introducción:

La naturaleza siempre ha sido una fuente de inspiración para la innovación humana. Un destacado científico antiguo quien buscó inspiración en la naturaleza y diseñó inventos basados ​​en observaciones del mundo natural fue Leonardo da Vinci, quien observó la anatomía y los movimientos de las aves, particularmente las alas de las aves en vuelo. Inspirado por sus observaciones, Leonardo diseñó y esbozó varias máquinas voladoras, que resultaron ser las bases para avances posteriores en la aviación y el diseño de aeronaves. Hoy en día, la biomímesis ha demostrado ser una poderosa herramienta para resolver problemas complejos. En el campo de la medicina, la biomímesis ofrece una gran cantidad de posibilidades para desarrollar soluciones y tecnologías de vanguardia. En esta publicación de blog, explicaremos el fascinante campo de la biomimética y la inteligencia artificial en la medicina y su potencial para revolucionar la atención médica y la tecnología innovadora.

Una propuesta de investigación sobre biomímesis que había compartido en LinkedIn en el pasado, implica inspirarse en las notables capacidades sinápticas de las fibras del árbol dendrítico de las células de Purkinje. Estas fibras poseen la capacidad de recibir información de miles de axones, lo que se logra al cubrir una amplia superficie propicia para conducir la electricidad de manera eficiente. Por lo tanto, propongo inspirarnos en la forma del árbol dendrítico de la celda de Purkinje para el desarrollo de cables de Super cargadores de vehículos eléctricos y microchips.

¿Alguna vez has reflexionado sobre el intrincado proceso mediante el cual el cerebro logra asimilar y refinar los estímulos sensoriales y motores, transformando los movimientos aprendidos en acciones automáticas y afinadas? Un tipo de neuronas esenciales para este funcionamiento del cerebro se llaman células de Purkinje.

Las células de Purkinje son un tipo de neurona que se encuentra en el cerebelo del cerebro. Llevan el nombre del anatomista checo Jan Evangelista Purkinje, quien las describió por primera vez en 1837. Estas células tienen una forma distintiva con un árbol dendrítico grande y elaborado que se extiende hasta la capa molecular del cerebelo, donde reciben información de fibras paralelas de gránulos. Células y fibras trepadoras de la oliva inferior. Las células de Purkinje son cruciales para la coordinación, precisión y sincronización de los movimientos. Desempeñan un papel central en el control motor y participan en diversas funciones, incluido el aprendizaje motor, la integración sensorial y el procesamiento cognitivo. A menudo se considera que las células de Purkinje tienen algunos de los árboles dendríticos más complejos y funcionalmente importantes del cerebro. La disfunción de las células de Purkinje puede provocar trastornos motores como la ataxia. El patrón de ramificación de las dendritas de las células de Purkinje amplía el área de superficie y les permite recibir información de una gran cantidad de conexiones sinápticas, lo que facilita la integración de señales sensoriales y motoras dentro de los circuitos cerebelosos.

Podemos inspirarnos en la eficiencia y organización de las dendritas de las células de Purkinje para diseñar estructuras optimizadas para la transferencia de energía y la conductividad en los supercargadores y microchips.

En el contexto de la impresión 3D de nanofibras para supercargadores, podemos aprovechar los principios de la Ley de Murray y la eficiencia general de las arborizaciones dendríticas de las células de Purkinje. La Ley de Murray enfatiza la optimización de las redes vasculares para la eficiencia energética y, de manera similar, el patrón de ramificación de las dendritas de las células de Purkinje se optimiza para la integración eficiente de las entradas sinápticas. La creación de un modelo computacional de cenadores dendríticos de células de Purkinje requiere un enfoque multidisciplinario que combine neuroanatomía, neurociencia computacional y técnicas de modelado matemático. Sugiero una propuesta de investigación para utilizar las investigaciones y avances en curso sobre modelos computacionales a partir de neuroimagen, como Jaarsma, D. et. al (2024), que evalúan disfunciones de las células de Purkinje en trastornos neurológicos, para crear un modelo computacional a partir de células de Purkinje normales. Este patrón se puede utilizar para la impresión 3D de nanofibras altamente conductoras dentro de cables o baterías de sobrealimentación. También se puede utilizar para diseños de microchips con tecnologías como la máquina de litografía EUV de ASML para fabricar microchips conductores eficientes.

En el diseño, podemos intentar imitar el patrón de ramificación organizado de las dendritas de las células de Purkinje para mejorar la eficiencia de la transferencia de energía y la conductividad. Al disponer las nanofibras en una red jerárquica e interconectada, similar a la estructura ramificada de las dendritas de las células de Purkinje, podemos maximizar el área de superficie y optimizar el flujo de corriente eléctrica. En palabras de biomímesis, el diseño pretende capturar la forma a escala micro y nano del árbol dendrítico de las células de Purkinje para así capturar como las células de Purkinje son un excelente ejemplo de la función: "distribuir energía" y los principios de la vida: "ser Eficiente con sus recurso por adaptación de la forma a la función."

Referencias

1. Libros de Textos:
   

   1. "Principles of Neural Science" by Eric R. Kandel, James H. Schwartz, and Thomas M. Jessell.

   2. "Neuroscience" by Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick, William C. Hall, Anthony-Samuel LaMantia, and Leonard E. White.

2. Artículos de revisión general:

   1. Palay, S. L., & Chan-Palay, V. (1974). Cerebellar Cortex: Cytology and Organization. Springer Science & Business Media.

   2. Apps, R., & Hawkes, R. (2009). Cerebellar cortical organization: a one-map hypothesis. Nature Reviews Neuroscience, 10(9), 670-681.

   3. Mugnaini, E., Sekerková, G., & Martina, M. (2011). The unipolar brush cell: a remarkable neuron finally receiving deserved attention. Brain Research Reviews, 66(1-2), 220-245.
      

3. Artículos de investigación originales:
   

   1. Eccles, J. C., Ito, M., & Szentágothai, J. (1967). The cerebellum as a neuronal machine. Springer.

   2. Llinás, R., & Sugimori, M. (1980). Electrophysiological properties of in vitro Purkinje cell dendrites in mammalian cerebellar slices. The Journal of Physiology, 305(1), 197-213.

   3. Palay, S. L. (1956). Synapses in the central nervous system. Journal of Biophysical and Biochemical Cytology, 2(4), 193-202.

   4. Jaarsma, D. et. al (2024). Different Purkinje cell pathologies cause specific patterns of progressive gait ataxia in mice, Neurobiology of Disease in Neurobiology of disease 2024 Volume 192, 2024, 106422, ISSN 0969-9961, https://doi.org/10.1016/j.nbd.2024.106422.

4. Imagen:

   1. Imagen de células de Purkinje por Ludovic Colin doi:10.7295/W9CIL38933 http://www.cellimagelibrary.org/images/38933