Ann Kennedy tiende un puente entre la biología y la teoría computacional

Fotografía de Saverio Truglia

POR EMILY SOHN

Fuente: Spectrum | 26/07/2022

Fotografía: Spectrum

Ann Kennedy prepara un montaje experimental que le permitirá estudiar con detalle el comportamiento de los modelos de ratón de autismo sin molestar a los animales

Ann Kennedy se fija en un ratón disecado que se encuentra sobre una lámina de acrílico negro en una sala trasera de su laboratorio. El material de la ventana, de color oscuro, es perfecto para un nuevo montaje experimental que tiene en mente. Los ratones no pueden ver a través de él, pero las cámaras de infrarrojos sí.

Kennedy planea construir una mesa con el material para que una cámara pueda filmar las patas de los roedores desde abajo. El montaje le permitirá estudiar con detalle el comportamiento de los modelos de ratón de autismo y otras condiciones y enfermedades en diversas situaciones, sin molestar demasiado a los animales.

Por ahora, la mesa de acrílico está en construcción y sólo está abierta al ratón de peluche, originalmente un juguete para gatos, utilizado para ayudar a instalar las cámaras. El juguete chirría cuando Kennedy lo presiona. "Normalmente, se hace una operación para quitar el chirrido" antes de utilizarlos para montar los experimentos, dice Kennedy, profesor adjunto de neurociencia en la Universidad Northwestern de Chicago (Illinois).

El chirrido juguetón es un sonido sorprendente en un laboratorio que, por lo demás, se define por la tranquilidad del modelado computacional. Entre sus proyectos, Kennedy está ampliando su trabajo con una herramienta basada en la inteligencia artificial llamada Sistema de Reconocimiento de Acciones de Ratones (MARS) que puede clasificar automáticamente los comportamientos sociales de los ratones.

También utiliza su trabajo de modelización para estudiar cómo interactúan entre sí las diferentes áreas cerebrales y los tipos de células, y para conectar la actividad neuronal con los comportamientos para aprender cómo el cerebro integra la información sensorial. En su oficina, situada en la quinta planta del edificio Ward de Northwestern, en el centro de Chicago, la mayor parte de este trabajo se realiza en ordenadores con datos, códigos y gráficos. También reina la tranquilidad en una sala al final del pasillo, donde el pequeño grupo de investigadores posdoctorales y técnicos de Kennedy se sientan en las estaciones de trabajo de un laboratorio que ella puso en marcha hace menos de un año y medio.

La capacidad de Kennedy para hablar de conceptos abstractos, con un pequeño animal de peluche como apoyo, la distingue, dicen sus colegas. Es una rara neurocientífica teórica que puede traducir su trabajo matemático en experimentos del mundo real. "Ese es su don", dice Larry Abbott, neurocientífico teórico de la Universidad de Columbia que fue asesor de Kennedy en la escuela de posgrado. "Es buena en la parte técnica, pero si no puedes hacer que llegue a los datos y a los experimentos, una persona no va a ser tan eficaz. En realidad, es muy buena en eso: en encontrar las matemáticas adecuadas para aplicarlas al problema concreto que está estudiando".

Kennedy salva una brecha que normalmente interfiere en la comunicación entre biólogos y teóricos de la computación, coincide Moriel Zelikowsky, neurocientífico de la Universidad de Utah en Salt Lake City que colabora habitualmente con ella. "He trabajado antes con otras personas de computación y, básicamente, lo que acaba ocurriendo es que uno trata de explicarles lo que cree que sería interesante buscar o cómo quiere que se analicen sus datos, y ellos tratan de entender cómo lo que está encontrando biológicamente es incluso importante", dice. "Lo sorprendente de Ann es que tiene una mente de bióloga con una increíble experiencia matemática y computacional. Así que ella es lo mejor de ambos mundos en una sola persona, y eso es muy inusual".

La forma de pensar interdisciplinar de Kennedy ya ha dado lugar a múltiples artículos dignos de mención en la última década, aproximadamente, desde que comenzó su trabajo de posgrado, algunos de ellos con cientos de citas. Junto con Zelikowsky y otros, Kennedy ayudó a crear la herramienta MARS, que ha llamado la atención por cómo podría hacer avanzar la investigación centrada en el autismo. Sus colegas afirman que, al pasar a realizar experimentos con ratones sobre la nueva mesa acrílica, su trabajo está preparado para seguir avanzando en la comprensión del complejo funcionamiento del cerebro.

Kennedy creció en los suburbios del norte de Virginia, a las afueras de Washington D.C., hija de dos ingenieros de sistemas informáticos. Su madre aprendió a codificar con tarjetas perforadas y trabajó en los sistemas operativos de uno de los primeros cajeros automáticos en la década de 1970. Enseñó a Kennedy y a su hermano a codificar cuando estaban en la escuela primaria.

Las lecciones de codificación atrajeron a Kennedy, dice, en parte porque de otro modo no se le permitía el acceso a la televisión, a los juegos de ordenador o incluso a los programas de radio a menos que fueran educativos. Utilizó sus habilidades de codificación para hacer pequeños laberintos y juegos. "Por supuesto, eran terribles porque no sabía realmente lo que estaba haciendo", dice. "Pero me gustaba mucho codificar y construir cosas".

Como estudiante de primaria en un programa para superdotados, Kennedy jugaba al fútbol, participaba en las Girl Scouts, tomaba clases de piano y pasaba el tiempo construyendo cosas con su abuelo, un ingeniero, en su taller. Pero, dice, era una niña ansiosa e introvertida, y sus restricciones televisivas le dificultaban relacionarse con las cosas de las que hablaban sus compañeros. Cuando entró en el instituto, en un programa magnético público especializado en ciencia y tecnología, tenía un grupo de amigos, pero le costaba abrirse a ellos, dice.

Los estudios eran su refugio. Con la curiosidad de entender la naturaleza y el funcionamiento de las cosas, Kennedy desarrolló un interés por la biología junto con su afinidad por los ordenadores. Aprovechó las oportunidades que le ofrecía su escuela, como unas prácticas en un laboratorio de células madre en el Children's National Hospital de Washington, D.C. Y empezó a hacerse preguntas como: ¿Por qué es tan fácil para nosotros caminar y dar sentido a lo que vemos, pero tan difícil construir un robot que pueda hacer esas cosas?

En la Universidad Johns Hopkins de Baltimore (Maryland), Kennedy se licenció en biología e ingeniería biomédica. Tomó todos los cursos que pudo en materias que eran nuevas para ella: procesamiento de señales, teoría de la información, álgebra lineal. "Quería tener una caja de herramientas lo más amplia posible", dice. Durante su último año, trabajó en un laboratorio de visión computacional y en un laboratorio que modelaba las células ciliadas del oído. Ambos trabajos le confirmaron que quería seguir haciendo ciencia, sin interrupción.

Tras graduarse en la universidad en 2009, fue directamente a la Universidad de Columbia para estudiar con Abbott. El laboratorio estaba lleno de gente a la vanguardia del modelado neuronal, y Abbott acababa de publicar una nueva técnica para entrenar redes neuronales para que realicen tareas complejas. "Era un nivel completamente distinto", dice Kennedy. "Nunca había visto nada parecido".

Finalmente se centró en las estructuras similares al cerebelo de los peces eléctricos y las moscas de la fruta. Su trabajo consistió en modelar circuitos para entender cómo esas estructuras representan los entornos sensoriales de los animales y cómo se utiliza esa representación durante el aprendizaje. A medida que esa investigación cobraba impulso, Kennedy empezó a destacar por su capacidad para comprender y combinar ideas de la biología experimental, las matemáticas y la física, dice Abbott.

Utilizando grabaciones neuronales de peces eléctricos recogidas en el laboratorio de Nathaniel Sawtell en Columbia, dice, Kennedy descubrió cómo construir un modelo que extrapolaba las grabaciones de una sola célula a circuitos que contenían miles de células. Ese modelo, publicado en 2014, reveló cómo los peces filtran su propio ruido eléctrico para detectar las señales eléctricas del entorno. "Eso se convirtió en un artículo realmente muy, muy bueno que la gente enseña mucho en los cursos", dice Abbott. "Fue entonces cuando me di cuenta: 'Vaya, tiene esta habilidad'".

Incluso mientras avanzaba con su investigación, la escuela de posgrado fue un momento difícil en su vida personal, dice Kennedy. Justo antes de ir a Columbia, su madre enfermó de lo que resultó ser una enfermedad de Alzheimer de inicio temprano. Aunque Kennedy ya estaba interesada en el cerebro, ser testigo de la enfermedad de su madre le hizo reflexionar sobre la subjetividad de la realidad. Empezó a tomar medicación para la ansiedad y observó lo cruda que era, como un "martillo farmacológico" que golpeaba circuitos complejos, dice.

Las teorías que escuchaba en las reuniones de la computación se sentían desconectadas de la vida cotidiana y de la experiencia de la enfermedad mental. Le seguía interesando la ciencia básica, que es donde sigue estando su corazón. Pero también empezó a pensar en las formas en que su trabajo podría aportar información sobre cómo afectan a las personas enfermedades como el autismo y la enfermedad de Parkinson.

"Entre los neurocientíficos teóricos, hay mucho de hacer matemáticas complejas por hacer matemáticas complejas y querer hacer el trabajo más elegante y difícil de entender posible", dice Kennedy. "Me harté de eso. Es bueno saber cómo usar estas herramientas, pero también tienen que estar avanzando el estado de la ciencia, y tiene que hacer una diferencia al final."

En 2014, como parte de su búsqueda de trabajo después de la universidad, Kennedy dio una charla en el laboratorio de David Anderson en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, donde Zelikowsky estaba trabajando en neurociencia del comportamiento como postdoc. En la presentación, Kennedy habló de su investigación sobre los peces, y Zelikowsky -que era la única mujer entre los postdoctorales del laboratorio en aquel momento- recuerda que le sorprendió lo bien que Kennedy hacía que su trabajo fuera comprensible e interesante tanto para los biólogos como para los neurocientíficos.

Anderson también recuerda la charla sobre el trabajo de Kennedy. Su trabajo era impresionante, dice, y él estaba interesado en añadir más teoría a su laboratorio. Pero le preocupaba que ella no encontrara los datos que salían de su laboratorio lo suficientemente avanzados como para facilitar el tipo de modelización matemática que ella estaba haciendo. También le preocupaba dar una de sus preciadas plazas de postdoctorado a alguien que no iba a generar ningún dato nuevo. A Kennedy también le preocupaba que el laboratorio fuera adecuado para ella.

Al final, con el apoyo de colegas comunes, incluido Abbott, tanto Anderson como Kennedy decidieron arriesgarse. Fue un paso valiente para Kennedy, dice Abbott. "Es muy importante pasar del mundo de la física, las matemáticas y la informática al mundo experimental", dice Abbott. "Y ella sola lo hizo en ese laboratorio".

Su apuesta mutua por trabajar juntos dio sus frutos, dice Anderson, que ha seguido colaborando con Kennedy en influyentes artículos. Durante el tiempo que pasó en el laboratorio de Anderson, Kennedy estudió modelos de ratones con autismo que variaban en cuanto a la socialización y los comportamientos agresivos. Las publicaciones incluyen un artículo de 2017 en Nature que encontró una influencia inesperada de las experiencias sociales en el comportamiento de las neuronas en el hipotálamo de los ratones, una parte del cerebro que durante mucho tiempo se pensó que estaba programada. Fue un trabajo precioso, dice Sandeep Robert Datta, neurobiólogo de la Universidad de Harvard. "Es realmente impactante", dice.

"Ambos nos arriesgamos con esto", dice Anderson. "Y resultó que, al menos para mí, fue la mejor decisión que he tomado. Ann realmente tuvo un efecto transformador en el laboratorio y en mi ciencia, que continúa incluso ahora después de que ella se haya ido."

Kennedy comenzó su propio laboratorio en Northwestern en octubre de 2020. Dice que ha tenido que adaptarse al clima, que no es ni de lejos tan agradable como en California, y echa de menos el fácil acceso a las excursiones por la montaña. Pero, de todos modos, no ha tenido oportunidad de hacer mucho más que trabajar; construir un laboratorio lo consume todo. Aunque le gusta cocinar, hacer pesas y salir a pasear con su marido, pasa la mayor parte de su tiempo escribiendo artículos y subvenciones, preparando charlas y supervisando un pequeño equipo, dice.

Un lunes de mayo, una mañana ventosa y fría, se reunió con sus tres postdoctorales y un biólogo computacional, que comparten una sala con moqueta gris y una máquina de café expreso, una estantería con libros de ciencia y matemáticas y una pizarra blanca cubierta de ecuaciones, flechas y gráficos. Mientras pasaba de una persona a otra, Kennedy escuchaba las actualizaciones y ayudaba a resolver problemas de codificación antes de preguntar a sus colegas sobre sus próximos planes de viaje para visitar a sus familias. Kennedy es de voz suave, un rasgo que, según Zelikowsky, la hace accesible y poco intimidante a pesar de su formidable inteligencia.

Los amplios conocimientos de Kennedy sobre diversos temas van más allá de su propio trabajo, dice Amadeus Maes, investigador postdoctoral del laboratorio. En una reciente cena de grupo, dice, intervino en una conversación sobre una teoría alternativa de la evolución humana que incluía una etapa acuática. "No digo que ella lo creyera. Simplemente hablará de algo al azar, y lo sabrá", dice Maes. "Eso no es siempre algo que se encuentra con la gente que se dedica a la ciencia. Están muy centrados en un tema concreto".

Kennedy también es consciente de que su presencia en un campo tradicionalmente dominado por los hombres sirve de modelo importante para las chicas que quizá no vean un lugar para ellas. Desde el instituto, ha observado ejemplos de sexismo, tanto abiertos como sutiles, que acaban provocando un alto índice de abandono entre las chicas y las mujeres: bromas tontas, la persistente "imagen de tipo raro codificador que come Mountain Dew y Cheeto" y la constatación periódica de que es la única mujer en la sala. Se esfuerza por hablar en conferencias y en otros contextos, incluso cuando se siente incómoda, dice. A medida que aumenta el número de mujeres que se dedican a este campo, las percepciones han cambiado lentamente, señala. "A menudo, cuando le decía a la gente que hacía neurociencia, me escuchaban mal y pensaban que había dicho que era enfermera o algo así. La gente de fuera de la ciencia no espera que una mujer haga este tipo de trabajo".

En una pequeña sala apartada del laboratorio principal, la mesa de acrílico en proceso y el ratón de juguete esperan los planes de Kennedy para desplegar sus habilidades de mezcla de conceptos para estudiar el autismo y otras condiciones neurológicas. La mesa, que mide 1,2 metros de largo y 1,2 metros de ancho, tendrá espacio para hasta ocho experimentos de comportamiento a la vez. Con el tiempo, las cámaras situadas por encima y a los lados de la mesa podrían complementar la cámara que filma desde abajo. Su primer uso será para un experimento relacionado con el Parkinson.

En lo que respecta al autismo, el plan es emplear MARS para estudiar algo más que los tres comportamientos definidos por los humanos que Kennedy y su equipo han examinado en el pasado: ataque, montaje e investigación cercana. También quieren observar secuencias de acciones en diversos modelos animales para profundizar en la gama más compleja y realista de condiciones humanas que representan los modelos. Utilizar su configuración para explicar por qué una línea de ratones puede ser más social y otra puede tener comportamientos más repetitivos, por ejemplo, podría conducir en última instancia a una imagen más clara de lo que está sucediendo en los cerebros de las personas a lo largo del espectro del autismo.

"Cosas como el autismo me resultan interesantes por el reto técnico que supone dar sentido no sólo a un animal en el vacío, sino a cómo los animales interactúan con su entorno", afirma.

El trabajo de Kennedy en la creación de herramientas que puedan caracterizar de forma objetiva y automática las interacciones sociales entre los ratones va a ser valioso para entender la base neural y las consecuencias conductuales de las mutaciones en los genes relacionados con el autismo, dice Datta. El trabajo que está realizando la sitúa en la vanguardia de un nuevo tipo de investigación que utiliza la computación para descodificar el cerebro en el contexto de las grabaciones neuronales y conductuales de alta resolución, afirma. "Y en un sentido real, ella es una de las inventoras".

Cite este artículo: https://doi.org/10.53053/SXTO5137

https://www.spectrumnews.org/news/profiles/rising-star-ann-kennedy-bridges-gap-between-biology-computational-theory/?utm_source=daily&utm_medium=email&utm_campaign=20220726-daily-nl-july-26-ann-kennedy