En nuestro grupo desarrollamos descripciones físicas mínimas para conectar procesos a distintas escalas: desde el comportamiento de células individuales y sus interacciones locales hasta la dinámica colectiva, la organización de tejidos y la función de órganos. Nuestro objetivo es comprender los sistemas vivos como materiales activos y adaptativos, cuya mecánica, topología y función evolucionan conjuntamente bajo restricciones bioquímicas y físicas.
La investigación se organiza en tres líneas principales.
Mecánica tisular y morfogénesis
Estudiamos cómo las propiedades mecánicas de los tejidos regulan el desarrollo embrionario, la migración celular y la formación de estructuras biológicas. Como parte del Núcleo Milenio de Mecánica de Tejidos y Autoorganización (SELFO), investigamos el desarrollo temprano de embriones en modelos de peces, en particular los procesos celulares y mecánicos que intervienen durante la epibolia y la gastrulación.
Combinamos teoría, simulaciones e imágenes de organismos vivos para comprender cómo la heterogeneidad mecánica entre células afecta la fluidez de los tejidos, la transmisión de tensiones y las transiciones topológicas celulares. A futuro, buscamos desarrollar plataformas experimentales que permitan deformar tejidos y perturbarlos de forma controlada. Esto permitirá vincular predicciones físicas con experimentos y entender cómo las fuerzas mecánicas guían la organización y función tisular.
Redes biológicas de transporte
Investigamos los principios físicos que rigen el crecimiento, la adaptación y la resiliencia de las redes que transportan fluidos en los organismos vivos. Estas incluyen redes ramificadas presentes en glándulas, vías respiratorias, conductos biliares, sistemas vasculares y arquitectura hepática.
Desarrollamos modelos estocásticos y computacionales de morfogénesis ramificada para describir cómo se forman redes biológicas durante el desarrollo. Nuestro trabajo ha contribuido a explicar la formación de estructuras ramificadas en glándulas salivales y organoides de conductos biliares, y actualmente extendemos estas aproximaciones al estudio del desarrollo de glándulas salivales, vías aéreas humanas, hígado y otros tejidos.
Una dirección central consiste en integrar el crecimiento, el flujo de fluidos, la remodelación mecánica y las restricciones geométricas en una teoría de transporte adaptativo en materia viva. En colaboración con especialistas en imagenología hepática (Fabián Segovia, Universidad de Concepción), estudiamos la organización tridimensional de lóbulos hepáticos sanos y en regeneración para relacionar la arquitectura microscópica del hígado con el transporte, la resiliencia, la regeneración y la enfermedad.
También usamos Physarum polycephalum, un organismo unicelular que forma redes complejas para transportar nutrientes, como sistema modelo. Mediante dispositivos de estiramiento controlado analizamos cómo las redes vivas responden a tensiones mecánicas, reorganizan su arquitectura y optimizan el flujo. Estos experimentos permiten explorar principios generales potencialmente relevantes para redes vasculares y biliares más complejas.
Circuitos neuronales adaptativos
Estudiamos cómo se forman, maduran y se reorganizan los circuitos neuronales. Las redes neuronales, al igual que las redes de transporte, ajustan su conectividad local de acuerdo con su actividad; sin embargo, en este caso el sustrato de adaptación es la fuerza de las conexiones sinápticas.
Lideramos la Red Interdisciplinaria de Autoorganización Neuronal (RIAN), junto a neurobiólogos de la Universidad de Chile, para investigar cultivos corticales de ratón in vitro. El objetivo es comprender cómo coevolucionan la conectividad sináptica, los patrones de actividad y el reclutamiento de neuronas inhibitorias durante la maduración de un circuito. Nos interesa, en particular, la transición desde estados inicialmente hipersincrónicos y predominantemente excitatorios hacia regímenes balanceados de excitación e inhibición, capaces de sostener la plasticidad, el procesamiento de la información y la estabilidad.
Combinamos cultivos neuronales, imagenología de calcio, perturbaciones farmacológicas y optogenéticas, y modelos cuantitativos de redes adaptativas. Este enfoque permite identificar reglas biológicas mínimas que conectan procesos celulares con patrones colectivos de actividad neuronal y estudiar cómo estas dinámicas se alteran en contextos relevantes para el envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas.
Proyección del grupo
La meta a largo plazo es formular marcos teóricos generales y transferibles para comprender la organización de los sistemas vivos, conectando la mecánica, el crecimiento, el transporte, la adaptación y la dinámica colectiva.
Durante los próximos años, el grupo buscará consolidar capacidades experimentales en biofísica de tejidos y de sistemas vivos, estrechamente integradas con el modelamiento matemático y el análisis computacional. Nuestras prioridades son:
- Desarrollar métodos predictivos para inferir la mecánica tisular y relacionarla con la morfogénesis.
- Establecer principios generales para el crecimiento, la adaptación y la remodelación de las redes biológicas de transporte.
- Comprender cuantitativamente cómo el equilibrio entre excitación e inhibición regula la dinámica, la plasticidad y la memoria en circuitos neuronales.
- Fortalecer una línea de investigación en física de sistemas vivos con proyección interdisciplinaria y latinoamericana.