Cómo la gran ciencia no logró develar los misterios del cerebro humano

Grandes y costosos esfuerzos para mapear el cerebro comenzaron hace una década, pero en gran medida se han quedado cortos. Es un buen recordatorio de lo complejo que es este órgano.

Por

• emily mullin página de archivo

25 de agosto de 2021

Andrea Daquino

En septiembre de 2011, un grupo de neurocientíficos y nanocientíficos se reunió en una pintoresca finca en la campiña inglesa para un simposio destinado a unir sus dos campos.

En la reunión, el neurobiólogo de la Universidad de Columbia, Rafael Yuste, y el genetista de Harvard, George Church, hicieron una propuesta no tan modesta: mapear la actividad de todo el cerebro humano a nivel de neuronas individuales y detallar cómo esas células forman circuitos. Ese conocimiento podría aprovecharse para tratar trastornos cerebrales como el Alzheimer, el autismo, la esquizofrenia, la depresión y las lesiones cerebrales traumáticas. Y ayudaría a responder una de las grandes preguntas de la ciencia: ¿Cómo genera el cerebro la conciencia?

Esta historia fue parte de nuestra edición de septiembre de 2021

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Yuste, Church y sus compañeros redactaron una propuesta que luego sería publicado en la revista Neuron . Su ambición era extrema: un esfuerzo público internacional a gran escala, el Proyecto Mapa de Actividad Cerebral, destinado a reconstruir el registro completo de la actividad neuronal a través de circuitos neuronales completos. Al igual que el Proyecto del Genoma Humano una década antes, escribieron, el proyecto del cerebro conduciría a industrias y empresas comerciales completamente nuevas.

Se necesitarían nuevas tecnologías para lograr ese objetivo, y ahí es donde intervinieron los nanocientíficos. En ese momento, los investigadores podían registrar la actividad de unos pocos cientos de neuronas a la vez, pero con alrededor de 86 mil millones de neuronas en el cerebro humano, era similar a viendo la televisión un píxel a la vez, Yuste recalled en 2017. Los investigadores propusieron herramientas para medir cada pico de cada neurona en un intento por comprender cómo la activación de estas neuronas producía pensamientos complejos.

La audaz propuesta intrigó a la administración de Obama y sentó las bases para el multianual Investigación del cerebro a través de la iniciativa Avance de Neurotecnologías Innovadoras (BRAIN) , anunciado en abril de 2013. El presidente Obama lo llamó el próximo gran proyecto estadounidense.

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Pero no fue la primera aventura cerebral audaz. De hecho, unos años antes, Henry Markram, neurocientífico de la Escuela Politécnica Federal de Lausanne en Suiza, se había fijado un objetivo aún más elevado: hacer una simulación por computadora de un cerebro humano vivo. Markram quería construir un modelo tridimensional completamente digital con la resolución de la celda individual, rastreando todas las conexiones de esas celdas. Podemos hacerlo dentro de 10 años, se jactó durante una Charla TED 2009 .

En enero de 2013, unos meses antes de que se anunciara el proyecto estadounidense, la UE otorgó a Markram 1.300 millones de dólares para construir su modelo cerebral. Los proyectos de EE. UU. y la UE generaron esfuerzos de investigación similares a gran escala en países como Japón, Australia, Canadá, China, Corea del Sur e Israel. Había comenzado una nueva era de la neurociencia.

¿Un sueño imposible?

Una década más tarde, el proyecto de EE. UU. está llegando a su fin y el proyecto de la UE se enfrenta a su fecha límite para construir un cerebro digital. ¿Entonces, cómo te fue? ¿Hemos comenzado a desentrañar los secretos del cerebro humano? ¿O hemos gastado una década y miles de millones de dólares persiguiendo una visión que sigue siendo tan esquiva como siempre?

Desde el principio, ambos proyectos tuvieron críticas.

Los científicos de la UE se preocuparon por los costos del esquema Markram y pensaron que eliminaría otras investigaciones en neurociencia. E incluso en la reunión original de 2011 en la que Yuste y Church presentaron su ambiciosa visión, muchos de sus colegas argumentaron que simplemente no era posible mapear los complejos disparos de miles de millones de neuronas humanas. Otros dijeron que era factible pero que costaría demasiado dinero y generaría más datos de los que los investigadores sabrían qué hacer con ellos.

En un artículo abrasador que apareció en Scientific American en 2013, Partha Mitra, neurocientífica del Laboratorio Cold Spring Harbor, advertido contra la exuberancia irracional detrás del Mapa de Actividad Cerebral y cuestionó si su objetivo general era significativo.

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Incluso si fuera posible registrar todos los picos de todas las neuronas a la vez, argumentó, un cerebro no existe de forma aislada: para conectar correctamente los puntos, necesitaría registrar simultáneamente los estímulos externos a los que está expuesto el cerebro. , así como el comportamiento del organismo. Y razonó que necesitamos entender el cerebro a un nivel macroscópico antes de intentar descifrar lo que significan los disparos de las neuronas individuales.

Otros tenían preocupaciones sobre el impacto de centralizar el control sobre estos campos. A Cornelia Bargmann, neurocientífica de la Universidad Rockefeller, le preocupaba que desplazara la investigación encabezada por investigadores individuales. (Bargmann pronto fue designado para codirigir el grupo de trabajo de la Iniciativa BRAIN).

No existe una sola teoría acordada sobre cómo funciona el cerebro, y no todos en el campo estuvieron de acuerdo en que construir un cerebro simulado era la mejor manera de estudiarlo.

Si bien la iniciativa de los EE. UU. buscó el aporte de los científicos para guiar su dirección, el proyecto de la UE fue decididamente más de arriba hacia abajo, con Markram a la cabeza. Pero como documenta Noah Hutton en su película de 2020 en silico , los grandes planes de Markram pronto se desmoronaron. Como estudiante universitario de neurociencia, se le asignó a Hutton leer los artículos de Markram y quedó impresionado por su propuesta de simular el cerebro humano; cuando comenzó a hacer documentales, decidió hacer una crónica del esfuerzo. Sin embargo, pronto se dio cuenta de que la empresa multimillonaria se caracterizaba más por luchas internas y cambios de objetivos que por avances científicos.

en silico muestra a Markram como un líder carismático que necesitaba hacer afirmaciones audaces sobre el futuro de la neurociencia para atraer la financiación necesaria para llevar a cabo su visión particular. Pero el proyecto se vio afectado desde el principio por un problema importante: no existe una única teoría acordada sobre cómo funciona el cerebro, y no todos en el campo estuvieron de acuerdo en que construir un cerebro simulado era la mejor manera de estudiarlo. No pasó mucho tiempo antes de que surgieran esas diferencias en el proyecto de la UE.

En 2014, cientos de expertos de toda Europa escribieron una carta citando preocupaciones sobre la supervisión, los mecanismos de financiación y la transparencia en el Proyecto Cerebro Humano . Los científicos sintieron que el objetivo de Markram era prematuro y demasiado estrecho y excluiría la financiación de los investigadores que buscaban otras formas de estudiar el cerebro.

Lo que me llamó la atención fue, si tuvo éxito y lo encendió y el cerebro simulado funcionó, ¿qué has aprendido? Terry Sejnowski, un neurocientífico computacional del Instituto Salk que formó parte del comité asesor de la Iniciativa BRAIN, me lo dijo. La simulación es tan complicada como el cerebro.

La junta directiva de Human Brain Project votó para cambiar su organización y liderazgo a principios de 2015, reemplazando un comité ejecutivo de tres miembros dirigido por Markram con una junta directiva de 22 miembros. Christoph Ebell, un empresario suizo con experiencia en diplomacia científica, fue nombrado director ejecutivo. Cuando asumí el cargo, el proyecto estaba en un punto de crisis, dice. La gente se preguntaba abiertamente si el proyecto iba a seguir adelante.

Pero unos años más tarde él también se fue, tras un desacuerdo estratégico con la institución anfitriona del proyecto. El proyecto ahora se centra en proporcionar una nueva infraestructura de investigación computacional para ayudar a los neurocientíficos a almacenar, procesar y analizar grandes cantidades de datos (la recopilación de datos no sistemática ha sido un problema para el campo) y desarrollar atlas cerebrales en 3D y software para crear simulaciones.

Mientras tanto, la Iniciativa BRAIN de EE. UU. experimentó sus propios cambios. Al principio, en 2014, respondiendo a las preocupaciones de los científicos y reconociendo los límites de lo que era posible, evolucionó hacia algo más pragmático, centrándose en desarrollar tecnologías para sondear el cerebro.

Nuevo día

Esos cambios finalmente han comenzado a producir resultados, incluso si no fueron los que los fundadores de cada uno de los grandes proyectos cerebrales habían previsto originalmente.

El año pasado, Human Brain Project publicó un Mapa digital 3D que integra diferentes aspectos de la organización del cerebro humano a nivel milimétrico y micrométrico. Es esencialmente un Google Earth para el cerebro.

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Y a principios de este año, Alipasha Vaziri, un neurocientífico financiado por la Iniciativa BRAIN, y su equipo de la Universidad Rockefeller informaron en un artículo preliminar que habían registrado simultáneamente la actividad de más de un millón de neuronas en la corteza del ratón. Es la grabación más grande de actividad cortical animal realizada hasta ahora, aunque está lejos de escuchar los 86 mil millones de neuronas en el cerebro humano como esperaba el Mapa de actividad cerebral original.

El esfuerzo estadounidense también ha mostrado cierto progreso en su intento de construir nuevas herramientas para estudiar el cerebro. Ha acelerado el desarrollo de la optogenética, un enfoque que utiliza la luz para controlar las neuronas, y su financiación ha dado lugar a nuevos electrodos de silicio de alta densidad capaces de registrar cientos de neuronas simultáneamente. Y podría decirse que ha acelerado el desarrollo de la secuenciación unicelular. En septiembre, los investigadores que utilicen estos avances publicarán una clasificación detallada de los tipos de células en las cortezas motoras humanas y de ratón, el mayor resultado individual de la Iniciativa BRAIN hasta la fecha.

Si bien todos estos son pasos importantes hacia adelante, están lejos de las grandes ambiciones iniciales.

Legado duradero

Ahora nos dirigimos a la última fase de estos proyectos: el esfuerzo de la UE concluirá en 2023, mientras que se espera que la iniciativa de EE. UU. cuente con financiamiento hasta 2026. Lo que suceda en los próximos años determinará cuánto impacto tendrán en el campo de la neurociencia.

Cuando le pregunté a Ebell cuál considera que es el mayor logro del Proyecto Cerebro Humano, no mencionó ningún logro científico en particular. En cambio, señaló EBRENOS , una plataforma lanzada en abril de este año para ayudar a los neurocientíficos a trabajar con datos neurológicos, realizar modelos y simular funciones cerebrales. Ofrece a los investigadores una amplia gama de datos y conecta muchas de las instalaciones de laboratorio, centros de supercomputación, clínicas y centros tecnológicos más avanzados de Europa en un solo sistema.

Si me preguntas '¿Estás contento con cómo resultó?' Diría que sí, dijo Ebell. ¿Ha conducido a los avances que algunos esperaban en términos de obtener una comprensión completamente nueva del cerebro? Talvez no.

Katrin Amunts, neurocientífica de la Universidad de Düsseldorf, quien ha sido directora de investigación científica del Human Brain Project desde 2016, dice que si bien el sueño de Markram de simular el cerebro humano aún no se ha hecho realidad, está cada vez más cerca. Usaremos los últimos tres años para hacer realidad tales simulaciones, dice ella. Pero no será un gran modelo único, sino que se necesitarán varios enfoques de simulación para comprender el cerebro en toda su complejidad.

Mientras tanto, la Iniciativa BRAIN ha otorgado más de 900 subvenciones a investigadores hasta el momento, por un total de alrededor de $ 2 mil millones. Se proyecta que los Institutos Nacionales de Salud gastarán casi $ 6 mil millones en el proyecto para cuando concluya.

Para la fase final de la Iniciativa BRAIN, los científicos intentarán comprender cómo funcionan los circuitos cerebrales diagramando las neuronas conectadas. Pero las afirmaciones sobre lo que se puede lograr son mucho más restringidas que en los primeros días del proyecto. Los investigadores ahora se dan cuenta de que comprender el cerebro será una tarea continua, no es algo que pueda finalizarse antes de la fecha límite de un proyecto, incluso si ese proyecto cumple con sus objetivos específicos.

Con una herramienta nueva o un fabuloso microscopio nuevo, sabe cuándo lo tiene. Si se trata de comprender cómo funciona una parte del cerebro o cómo el cerebro realmente realiza una tarea, es mucho más difícil saber qué es el éxito, dice Eve Marder, neurocientífica de la Universidad de Brandeis. Y el éxito para una persona sería solo el comienzo de la historia para otra persona.

Yuste y sus colegas tenían razón en que se necesitarían nuevas herramientas y técnicas para estudiar el cerebro de una manera más significativa. Ahora, los científicos tendrán que descubrir cómo usarlos. Pero en lugar de responder a la pregunta de la conciencia, el desarrollo de estos métodos, en todo caso, solo abrió más preguntas sobre el cerebro y mostró cuán complejo es.

Tengo que ser sincero, dice Yuste. Teníamos mayores esperanzas.

emily mullin es un periodista independiente con sede en Pittsburgh que se centra en la biotecnología.

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