Científicos completan el mayor diagrama de cableado y mapa funcional del cerebro hasta la fecha

A partir de una minúscula muestra de tejido del tamaño de un grano de arena, los científicos se han acercado a un objetivo que antes se creía inalcanzable: construir un diagrama de cableado funcional completo de una porción del cerebro. 

En 1979, el famoso biólogo molecular Francis Crick afirmó que sería "[imposible] crear un diagrama de cableado exacto de un milímetro cúbico de tejido cerebral y la forma en que se disparan todas sus neuronas". Pero en los últimos siete años, un equipo mundial de más de 150 neurocientíficos e investigadores lo ha acercado a la realidad.

El Proyecto de Inteligencia Artificial a partir de Redes Corticales (MICrONS) -un esfuerzo de colaboración de más de 150 científicos e investigadores del Instituto Allen, Princeton, Harvard, Baylor College of Medicine, Stanford y muchos otros- ha construido el diagrama de cableado más detallado de un cerebro de mamífero hasta la fecha. Hoy, los científicos han publicado los resultados científicos de este enorme recurso de datos en una colección de diez estudios en la familia de revistas Nature. 

El diagrama de cableado y sus datos, disponibles gratuitamente a través del Explorador MICrONS, tienen un tamaño de 1,6 petabytes (equivalente a 22 años de vídeo HD ininterrumpido) y ofrecen una visión nunca vista de la función cerebral y la organización del sistema visual.

"Los avances del MICrONS que se publican en este número especial de Nature constituyen un momento decisivo para la neurociencia, comparable al Proyecto Genoma Humano en cuanto a su potencial transformador", afirmó el doctor David A. Markowitz, ex director del programa IARPA que coordinó este trabajo.

"La inversión moonshot de IARPA en el programa MICrONS ha hecho añicos las limitaciones tecnológicas anteriores, creando la primera plataforma para estudiar la relación entre la estructura y la función neuronales a las escalas necesarias para comprender la inteligencia. Este logro valida nuestro enfoque centrado en la investigación y sienta las bases para una futura ampliación a nivel de todo el cerebro".

Científicos del Baylor College of Medicine empezaron a utilizar microscopios especializados para registrar la actividad cerebral de una porción de un milímetro cúbico de la corteza visual de un ratón mientras el animal veía varias películas y clips de YouTube.

A continuación, los investigadores del Instituto Allen tomaron ese mismo milímetro cúbico de cerebro y lo dividieron en más de 25.000 capas, cada una de ellas con una anchura equivalente a 1/400 veces la de un cabello humano, y utilizaron un conjunto de microscopios electrónicos para tomar imágenes de alta resolución de cada capa. 

Por último, otro equipo de la Universidad de Princeton utilizó inteligencia artificial y aprendizaje automático para reconstruir las células y conexiones en un volumen 3D.

Combinado con las grabaciones de la actividad cerebral, el resultado es el mayor diagrama de cableado y mapa funcional del cerebro hasta la fecha, con más de 200.000 células, cuatro kilómetros de axones (las ramificaciones que llegan a otras células) y 523 millones de sinapsis (los puntos de conexión entre células).

"Dentro de esa diminuta mota hay toda una arquitectura, como un bosque exquisito", afirma el doctor Clay Reid, investigador principal y uno de los primeros fundadores de la conectómica por microscopía electrónica, que trajo esta área de la ciencia al Instituto Allen hace 13 años. "Tiene todo tipo de reglas de conexiones que conocíamos de diversas partes de la neurociencia, y dentro de la propia reconstrucción, podemos probar las viejas teorías y esperar encontrar cosas nuevas que nadie haya visto antes".

Uno de los hallazgos más sorprendentes fue el descubrimiento de un nuevo principio de inhibición en el cerebro. Antes, los científicos pensaban que las células inhibidoras -las que suprimen la actividad neuronal- eran una simple fuerza que amortiguaba la acción de otras células. Sin embargo, los investigadores descubrieron un nivel de comunicación mucho más sofisticado: Las células inhibidoras no actúan al azar, sino que son muy selectivas en cuanto a las células excitadoras a las que se dirigen, creando un sistema de coordinación y cooperación en toda la red. Algunas células inhibidoras trabajan juntas, suprimiendo múltiples células excitadoras, mientras que otras son más precisas, dirigiéndose sólo a tipos específicos.

"Este es el futuro en muchos sentidos", explica el doctor Andreas Tolias, uno de los principales científicos que han trabajado en este proyecto tanto en el Baylor College of Medicine como en la Universidad de Stanford. "MICrONS se erigirá como un hito en el que construiremos modelos de fundamentos cerebrales que abarquen muchos niveles de análisis, empezando por el nivel conductual hasta el nivel representacional de la actividad neuronal e incluso hasta el nivel molecular".

Los investigadores señalan que la comprensión de la forma y función del cerebro y la capacidad de analizar las conexiones detalladas entre neuronas a una escala sin precedentes abre nuevas posibilidades para estudiar el cerebro y la inteligencia. También tiene implicaciones para trastornos como el Alzheimer, el Parkinson, el autismo y la esquizofrenia, que implican interrupciones en la comunicación neuronal.

REDACCIÓN CIENCIA*

Con información del Instituto Allen