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Teoría del caos. Aplicaciones en Medicina

Ciencia - Ciencias Ambientales UDIMA

Profesor: Florentino Borondo

Idioma: Castellano

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TEORÍA DEL CAOS APLICACIONES EN MEDICINA Caos: un paradigma multidisciplinar Profesor: Florentino Borondo Uam 2012 ÍNDICE I. INTRODUCCIÓN 3 II. LA TEORÍA DEL CAOS 4 III. APLICACIONES EN LA MEDICINA 6 1.- CAOS EN PROCESOS METABÓLICOS 6 2.- CAOS EN CARDIOLOGÍA 7 3.- CAOS EN NEUROCIENCIA 10 4.- CAOS EN EPIDEMIOLOGÍA 11 IV. CONCLUSIONES 13 V. WEBGRAFÍA 14 I. INTRODUCCIÓN La Ciencia lleva evolucionando de la mano con el hombre desde el principio de su existencia. Su consideración, importancia, metodología , leyes... han ido mutando con el paso del tiempo, sus disciplinas se ramifican, el conocimiento se extiende; y todo ello a base de aceptar y rechazar hipótesis que se tienen que dar por sentadas. Cuando aparece una teoría revolucionaria cambia la concepción de toda la comunidad científica, y con ella, nuestra visión del mundo. La teoría del caos es un ejemplo de dicho cambio. Entre los siglos XIX y XX se produce el último gran cambio de nuestra concepción de la realidad. En el siglo XIX reinaba el triunfalismo determinista, y la Física, que expresaba las leyes fundamentales del universo, era sinónimo de certeza en la predicción de los fenómenos. A principios del siglo XX aparecen esbozos que contradicen dicho modelo, como los rescatados trabajos de Poincaré (s. XIX), y la aparición de la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica; pero es en el último cuarto de siglo XX, con la ayuda de los ordenadores y los trabajos de Lorenz, cuando se postula la Teoría del Caos. Ésta aporta otro enfoque a la Ciencia, un nuevo paradigma caracterizado por la complejidad presente en la mayoría de problemas que resolver. La teoría del Caos destierra el sueño del hombre de dominar la naturaleza. Le recuerda que es imposible conocer la realidad por medio de la simplificación, que la creatividad es inherente al universo, y por tanto, es imposible controlarlo todo. Pero la Teoría del Caos no sólo ha contribuido a un cambio de visión, también se ha descubierto que está presente en numerosos fenómenos en la naturaleza y en otras ciencias como la economía, la lingüística, la tecnología o la medicina. De entre todas estas, el presente trabajo se centrará en las aplicaciones de la Teoría del Caos en el mundo de la medicina. II. LA TEORÍA DEL CAOS La Teoría del Caos empezó a surgir cuando el ganador del premio Nobel, Ilia Prigogine, descubrió que las estructuras complejas podían tener mayor simplicidad de la que se creía, sin embargo el verdadero padre de la Teoría del Caos es Henri Poincairé. En el siglo XIX el rey Oscar II de Noruega quería otorgar un premio a aquel que pudiera probar que el sistema solar era estable. Debido a esto, Henri Poncairé encontró una posible solución y le fue otorgado el premio, aunque posteriormente se lo retiraron debido a unos errores en sus cálculos. Poncairé prosiguió con su ardua investigación hasta concluir que no había solución, ya que había intentado encontrar un orden en un sistema que no había orden. Es en los años sesenta cuando fue formulada la Teoría del Caos, cuando Edward Lorenz desarrolló un modelo matemático muy simplificado para poder capturar el comportamiento de la convección atmosférica. Durante su estudio, Lorenz se dio cuenta de que pequeñas variaciones en las diferentes variables de su modelo matemático suponían grandes cambios en el estado de los diferentes procesos meteorológicos. Después de esto, Lorenz se dedicó a estudiar las matemáticas relativas a estos procesos y describió un sistema simple de ecuaciones que dieron lugar a un patrón de una gran complejidad infinita, al que llamó Atractor de Lorenz. Este atractor se define como: "un sistema dinámico determinístico tridimensional no lineal derivado de las ecuaciones simplificadas de rollos de convección que se producen en las ecuaciones dinámicas de la atmosfera". [pic] Figura 1: Atractor de Lorenz. La Teoría del Caos ha tomado mucha importancia en los últimos tiempos en el campo de las matemáticas y la física gracias a la infinidad de aplicaciones que tiene y la gran cantidad de campos científicos que abarca. Esta teoría se basa en el estudio de algunos sistemas dinámicos muy sensibles a las diferentes variaciones, estas pequeñas variaciones en las condiciones iniciales pueden provocar cambios enormes en el futuro, el denominado comúnmente "efecto mariposa", cuyo efecto puede suceder en los sistemas que en principio se puede predecir perfectamente su variación en el futuro. La principal característica de un sistema caótico es que puede presentar un comportamiento estable o inestable dependiendo de diferentes factores. Los sistemas caóticos parten de unas condiciones iniciales, que corresponden en principio a un sistema estable en el que su evolución es predecible, pero una pequeña variación determinada puede hacer que el sistema pase a ser inestable y cambie totalmente. Esto es demostrable con diversos procedimientos matemáticos. El concepto de caos determinista intenta comprender ciertos fenómenos encontrados en la teoría de sistemas dinámicos, la mecánica clásica y las ecuaciones diferenciales. A grandes rasgos se puede decir que el caos determinista da lugar a diferentes trayectorias asociadas a la evolución temporal de forma muy irregular, aparentemente es azarosa aunque en realidad es totalmente determinista. Los sistemas dinámicos se pueden clasificar en: -Estables: son aquellos que tienden a oscilar alrededor de un punto. -Inestables: tienden a escapar de la órbita. -Caóticos: son los que presentan ambos comportamientos. Otra de las características de los sistemas caóticos es que siempre va a aparecer asociado a ellos un objeto fractal, que son objetos geométricos caracterizados por su dimensión no entera. Son figuras geométricas similares a sí misma aunque la veamos a diferentes aumentos. La Teoría del Caos también tiene desventajas. Están debidas principalmente a la elección de los parámetros de entrada, ya que los diversos métodos que se usan para computar los parámetros dependen principalmente de la dinámica de los datos y de la clase de análisis que se utilice, que normalmente suele ser muy complejo e inexacto. Otro de los hándicaps de la Teoría del Caos es su excesiva complejidad, ya que muchas veces está lejos de proporcionar aplicaciones inmediatas, pero su utilización en la mayoría de los campos de la ciencia es muy útil, sobre todo para la comprensión del proceso en general. III. APLICACIONES EN LA MEDICINA Se ha descubierto que en algunos de los procesos del funcionamiento de los sistemas biológicos también existe una componente caótica. Los sistemas bioquímicos, como muchos sistemas naturales, poseen comportamientos en cierta manera impredecibles, y son muy sensibles a las condiciones iniciales. El cuerpo humano no es una excepción, y la medicina ha descubierto algunos procesos que manifiestan aparente desorden y caos, sobre todo en el cerebro y en el corazón. Los más importantes son los procesos metabólicos, las enfermedades cardiacas, la actividad cerebral y la epidemiología. A continuación se describen brevemente algunos de éstos. 1.- CAOS EN PROCESOS METABÓLICOS. Los procesos metabólicos están involucrados en la transformación de la energía en los seres vivos, y constan de dos partes, el catabolismo (exotérmico) y el anabolismo (endotérmico). Son procesos catalizados por enzimas, y es justamente esa dinámica enzimática la que les concede un comportamiento caótico. Uno de los ejemplo de los estudios realizados sobre esta materia es la dinámica de la glucólisis. La glucólisis o glicolisis es un proceso metabólico consistente en diez reacciones enzimáticas consecutivas en las que la glucosa se degrada en piruvato, liberando energía en forma de ATP. La glucosa es la fuente de energía para numerosas células, tanto animales como vegetales, por lo que este proceso es de gran importancia. Desde hace tiempo se ha observado el comportamiento oscilatorio de la glucólisis. En uno de los múltiples experimentos realizados se suministró periódicamente glucosa en células de levadura. La imagen posterior refleja el registro obtenido por fluorescencia de los niveles de NADH, coenzima de intercambio de electrones, en la reacción. [pic] Figura 2: registro experimental de dinámica caótica en glucólisis. La imagen superior muestra la variación sinusoidal en la entrada de sustrato, a pesar de la concentración constante de glucosa en las células. Los autores de estos experimentos han propuesto un modelo matemático que se ajusta adecuadamente a las observaciones

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