Los sistemas biológicos, como el corazón, exhiben típicamente un comportamiento dinámico complejo a través de las interacciones entre componentes como genes, proteínas o células. Estos sistemas demuestran dinámicas no lineales, bucles de retroalimentación y adaptabilidad, reflejando fenómenos como la homeostasis, la evolución y la estabilidad del ritmo. Un concepto central en el marco de los sistemas dinámicos es el espacio de fases, una representación multidimensional donde cada punto corresponde a un estado único del sistema. Para ilustrarlo, si consideramos una pequeña bola rodando sobre un mapa en relieve, su estado incluiría su posición planar, elevación, velocidad y aceleración.
Dentro del espacio de fases, el comportamiento a largo plazo de un sistema a menudo se describe en términos de atractores, que son subconjuntos del espacio de fases hacia los que las trayectorias tienden con el tiempo. Estos atractores pueden adoptar diversas formas, incluyendo puntos fijos, órbitas periódicas y conjuntos caóticos, lo que refleja la rica diversidad de comportamientos posibles en los sistemas dinámicos. Si reemplazamos la bola por lluvia local en el mapa en relieve, los ríos, lagos y otras masas de agua actúan como atractores donde se recoge esa lluvia. Una cuenca hidrográfica, también conocida como cuenca de drenaje, es un área de tierra donde toda la lluvia que cae drena hacia el mismo río, lago o masa de agua, convirtiéndolas en cuencas de atracción. Las crestas montañosas son separatraces que dividen las cuencas hidrográficas, o más formalmente, superficies teóricas que dividen el espacio de fases en diferentes cuencas de atracción. Una separatrix, por lo tanto, denota la transición entre diferentes regiones del espacio de fases. La terminología introducida aquí se retomará a lo largo de nuestro estudio, con la adición de un ‘estado’, que es uno de los atractores en el sistema. Cuando el sistema no interactúa con nada, permanecerá en el mismo punto o puntos del espacio de fases.
Algunos sistemas solo tienen una única cuenca de atracción. Sin embargo, en otros, emerge el fenómeno de la biestabilidad, donde coexisten dos atractores distintos, cada uno con su propia cuenca de atracción. La biestabilidad es una característica común en muchos sistemas naturales e ingenieriles, desde la dinámica climática hasta las redes neuronales, los modelos ecológicos y la dinámica cardíaca. La interacción entre las cuencas en tales sistemas puede dar lugar a comportamientos complejos, lo que hace que la caracterización de estas cuencas sea un componente crítico del análisis de un sistema.
El presente estudio se centra en el complejo sistema del corazón. En reposo, los cardiomiocitos ventriculares (células musculares de la cámara inferior del corazón) tienen un potencial de membrana de -80 a -90 mV. Este estado de reposo es un atractor del sistema. Cuando se altera el equilibrio (por ejemplo, debido a una afluencia de iones Na+ o estimulación eléctrica), los cardiomiocitos primero se despolarizan y luego se ven atraídos nuevamente hacia el estado de reposo por una salida de iones K+. En el espacio de fases, la trayectoria resultante se asemeja a un ciclo, que corresponde a un latido cardíaco. Cuando múltiples de estas células están conectadas entre sí, puede surgir un comportamiento emergente. Dentro de este sistema dinámico de cardiomiocitos, investigamos la biestabilidad emergente (un concepto que se explicará más a fondo más adelante) en monocapas celulares bajo la influencia de patrones de despolarización espacial. Mediante el uso de una serie de ondas externas (eléctricas), el sistema podría moverse activamente de una cuenca de atracción a otra.
Las arritmias cardíacas suelen ser iniciadas por desencadenantes específicos, siendo las ondas de fuente puntual, o ondas ectópicas, las más prevalentes. Para estudiar la ectopía en entornos de laboratorio, es necesario controlar la despolarización de los cardiomiocitos. Esto se puede lograr mediante la optogenética, una técnica biológica para controlar la actividad de las células con luz. Este enfoque se basa en la introducción de genes recombinantes que codifican proteínas activables por la luz en las células para dotarlas de una nueva función biológica. Una forma de despolarizar un cardiomiocito es utilizando un mini-generador de oxígeno singlete (miniSOG). Al activarse con luz azul, el miniSOG convierte el oxígeno molecular de su estado fundamental (3O2) en oxígeno singlete altamente reactivo (1O2). El daño oxidativo resultante induce un estado de despolarización prolongada en los cardiomiocitos tras la estimulación eléctrica. En tales sistemas, se ha observado previamente que la iluminación espacio-temporal puede dar lugar a un comportamiento colectivo y ondas ectópicas que se originan en regiones iluminadas/despolarizadas (con una alta curvatura espacial). Estas ondas resultaron de la interacción entre la corriente de difusión (también conocida en biología/biofísica como la corriente mediada por uniones gap) y el estado biestable unicelular inducido en la región iluminada.
Aunque los efectos de la iluminación del miniSOG pueden conducir a la formación de áreas despolarizadas, es difícil controlar el proceso con precisión, ya que despolariza los cardiomiocitos indirectamente. Por lo tanto, en este estudio, utilizamos canales iónicos sensibles a la luz para obtener un control más refinado de la despolarización de los cardiomiocitos. Estos canales iónicos permiten que las células respondan a longitudes de onda específicas de luz, facilitando la despolarización directa. Al inducir la despolarización o hiperpolarización de los cardiomiocitos solo en las áreas iluminadas, la optogenética permite un control espacio-temporal preciso de la excitabilidad cardíaca, un atributo que explotamos en este estudio. Con la ayuda del canal iónico activado por la luz CheRiff, se pudieron elicitar ondas ectópicas similares a las obtenidas en el sistema miniSOG. Debido al control superior sobre la despolarización impuesto por CheRiff, descubrimos nuevos efectos y comportamientos no observados relacionados con la transición de un sistema cardíaco monestable a uno biestable que exhibe oscilaciones periódicas. Esta transición resultó de la interacción de los cardiomiocitos despolarizados en una región iluminada con un tren de ondas externas que no se originó dentro de la región iluminada. Más específicamente, encontramos que nuestro sistema exhibía selectividad de frecuencia: oscilaba solo en reacción a un rango específico de tiempos de estímulo externo entre pulsos. En neurociencia, este comportamiento se clasifica como ‘resonancia’. Sin embargo, para evitar confusiones con la resonancia clásica, donde la fuerza de la respuesta depende de la entrada, aquí el fenómeno se denomina ‘actividad de marcapasos inducida’. La evidencia de esta actividad de marcapasos inducida se presentará tanto in vitro como in silico.
