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Ocho formas en que los científicos están desenvolviendo los misterios del cerebro humano
Nhung Le
No hay mayor misterio científico que el cerebro. Está hecho principalmente de agua; gran parte del resto es en gran parte grasa. Sin embargo, esta gota de material de aproximadamente tres libras produce nuestros pensamientos, recuerdos y emociones. Gobierna cómo interactuamos con el mundo y dirige nuestro cuerpo. Cada vez más, los científicos están comenzando a desentrañar las complejidades de cómo funciona y comprender cómo los 86 mil millones de neuronas en el cerebro humano forman las conexiones que producen ideas y sentimientos, así como la capacidad de comunicarse y reaccionar. Aquí está nuestro recorrido rápido por algunas de las investigaciones más punteras y por qué es importante.
¿Cómo una colección de células crea pensamientos y comportamientos?
Lo que es:
Los neurocientíficos cognitivos y conductuales estudian cómo las proteínas, los genes y las estructuras de nuestro cerebro dan lugar a comportamientos y procesos mentales. ¿Cómo aprende y recuerda el cerebro las cosas? ¿Cómo toma decisiones? ¿Cómo procesa y responde al mundo?
Por qué importa:
Esta historia fue parte de nuestra edición de septiembre de 2021
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Comprender la memoria puede ayudarnos a tratar el Alzheimer; comprender la búsqueda de recompensas puede ayudar a abordar la adicción; comprender las emociones puede proporcionar nuevas pistas sobre cómo prevenir la depresión.
La vanguardia:
Sheena Josselyn, neurocientífica del Hospital for Sick Children de Toronto, estudia cómo y dónde almacena los recuerdos el cerebro. Ella dice que identificar los circuitos neuronales (grupos de neuronas interconectados) responsables de almacenar recuerdos específicos podría ser clave para tratar los trastornos de la memoria, porque no es óptimo simplemente darle a alguien un medicamento que afecta todo el cerebro.
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¿Por qué te sientes solo? La neurociencia está empezando a encontrar respuestas. La búsqueda de la soledad de un neurocientífico podría ayudarnos a comprender mejor los costos del aislamiento social.No podemos tratar el cerebro como un plato de sopa: si le agregamos un poco de orégano, todo saldrá mejor, dice Josselyn. Necesitamos entender exactamente dónde queremos apuntar las cosas. Para crear tratamientos dirigidos con mayor precisión, quiere comprender mejor las neuronas y los circuitos neuronales que son importantes para formar, albergar y recuperar un recuerdo.
Recientemente, el laboratorio de Josselyn identificó un nuevo camino que es importante para recuperar recuerdos más antiguos . Esta vía conduce desde el hipocampo, una región del cerebro que controla el aprendizaje y la memoria, hasta el tálamo, que actúa como una especie de estación de transmisión de información sensorial en el cerebro. Cuando los investigadores desactivaron esta vía en ratones, los animales pudieron recordar una experiencia del día anterior, pero no una del mes anterior.
Kay Tye, profesora de neurociencia en el Instituto Salk, estudia las vías neuronales involucradas en el aprendizaje y en emociones como la soledad para arrojar luz sobre el abuso de sustancias y la ansiedad. El laboratorio de Tye ha identificado un vía neural que ayuda a guiar el comportamiento cuando las señales simultáneas señalan resultados positivos y negativos.
La siguiente frontera:
Una vez que comprendamos mejor las regiones del cerebro, las vías y los neurotransmisores involucrados en la memoria, la ansiedad y el miedo, y cómo se pueden alterar, podremos desarrollar estrategias más precisas para tratar enfermedades.
Está en tus genes
Lo que es:
El campo de la neurogenética explora cómo los genes afectan la estructura y función del sistema nervioso.
TerciopeloPor qué importa:
Si podemos identificar el papel de los genes, podríamos diagnosticar trastornos cerebrales con mayor precisión y precisión, o incluso intervenir para detener su progreso.
La vanguardia:
Steven McCarroll, director de neurobiología genómica del Centro Stanley para la Investigación Psiquiátrica del Instituto Broad, estudia los genes relacionados con la esquizofrenia. En colaboración con un equipo de investigadores, ha identificado variantes en un gen asociado con el trastorno ; estas variantes generaron más de una proteína involucrada en el etiquetado de sinapsis (conexiones entre neuronas) para su eliminación.
Cuando McCarroll y sus colegas aumentaron la expresión del gen en ratones, los ratones terminaron con menos sinapsis . Su memoria de trabajo se vio afectada y su comportamiento social cambió. Los investigadores creen que estas variaciones genéticas pueden estar relacionadas con la pérdidas de sinapsis y cambios de comportamiento observados en personas con esquizofrenia.
Ying-Hui Fu, profesor de neurología en la Universidad de California en San Francisco, ha identificado tres mutaciones genéticas diferentes que reducen la cantidad de sueño que las personas necesitan.
Uno de ellos incluso protege contra los problemas de memoria normalmente asociados con la falta de sueño.
Otros investigadores están buscando genes que mantienen a las personas relativamente sanas incluso cuando portan otros genes que los ponen en riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer de inicio temprano.
La siguiente frontera:
Al identificar cómo los genes contribuyen a las enfermedades, los científicos pueden desarrollar tratamientos, tal vez mediante el uso de medicamentos para bloquear la acción de una proteína producida por un gen que causa la enfermedad o para imitar las acciones de uno protector. También se están explorando terapias génicas para silenciar los genes dañinos. Tal tratamiento para la enfermedad neurológica. la esclerosis lateral amiotrófica (ALS) ha sido autorizado para ensayos en los EE. UU.; un ensayo de terapia génica para Enfermedad de Huntington está en marcha.
Ingeniería del cerebro
Lo que es:
Los neuroingenieros están buscando formas de conectar el sistema nervioso, incluido el cerebro, a las máquinas. Los dispositivos experimentales pueden traducir la actividad neuronal en texto o hacer que mueva una extremidad artificial; algunos convierten la información de sensores artificiales en estimulación nerviosa que el cerebro puede entender.
Por qué importa:
La tecnología ahora puede ayudar a restaurar la capacidad de comunicarse, sentir sensaciones y moverse en personas paralizadas o amputadas. Los implantes estimulantes del cerebro también pueden ofrecer nuevas formas de tratar epilepsia , dolor crónico , y ceguera .
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El cirujano que quiere conectarte a Internet con un implante cerebral Eric Leuthardt cree que en un futuro cercano permitiremos que los médicos inserten electrodos en nuestros cerebros para que podamos comunicarnos directamente con las computadoras y entre nosotros.La vanguardia:
Los neuroingenieros de Stanford están usando mediciones de la actividad cerebral para ayudar a restaurar la función en personas paralizadas. Recientemente, trabajando con un hombre paralizado del cuello para abajo, los investigadores implantado dos conjuntos de pequeños electrodos en una parte de su cerebro responsable del movimiento de la mano. Mientras el hombre imaginaba escribir letras, los científicos utilizaron el aprendizaje automático para traducir su actividad cerebral en letras en una pantalla. Con este sistema, el hombre podía escribir 90 letras por minuto, más del doble del récord anterior de escritura a través de la actividad cerebral.
En el futuro, estos dispositivos podrían mejorar la cognición, permitirnos comunicarnos de cerebro a cerebro o crear experiencias de realidad virtual ultrarrealistas que incorporen todos nuestros sentidos.
Otros neuroingenieros están trabajando en prótesis que pueden transmitir información sensorial al usuario. Luke Osborn, un neuroingeniero de la Universidad Johns Hopkins, está trabajando en formas de transmitir diferentes tipos de sensaciones en personas que se han sometido a amputaciones mediante la estimulación de los nervios en la extremidad por encima del sitio de la amputación. Hasta el momento, los dispositivos pueden transmitir sensaciones de presión e incluso dolor leve. Las sensaciones de dolor son una fuente de información crítica, dice Osborn, que nos permite saber cuándo podríamos estar haciendo algo inseguro.
La siguiente frontera:
Los dispositivos que conectan cerebros y computadoras podrían usarse potencialmente no solo para restaurar funciones que se han perdido, sino también para mejorar las habilidades de nuestros cerebros. En el futuro, estos dispositivos podrían mejorar la cognición, permitirnos comunicarnos de cerebro a cerebro o crear experiencias de realidad virtual ultrarrealistas que incorporen todos nuestros sentidos.
como hacer un cerebro
Lo que es:
La neurociencia del desarrollo explora cómo la estructura y la función del cerebro cambian con el tiempo a medida que un organismo madura. ¿Cómo encuentran las neuronas individuales su camino hacia el lugar adecuado en el cerebro?
Por qué importa:
Comprender el desarrollo del cerebro, y qué es lo que hace que salga mal, podría ayudarnos a abordar condiciones como la microcefalia, el autismo y el TDAH. Y si sabemos cómo los eventos antes del nacimiento y durante la niñez afectan la estructura y la función del cerebro en desarrollo, estaremos mejor capacitados para brindarles a los niños la mejor oportunidad de un desarrollo saludable.
La vanguardia:
Madeline Lancaster, del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica en el Reino Unido, estudia el desarrollo del cerebro utilizando organoides, grupos de células tridimensionales derivados de células madre humanas que se autoorganizan en un órgano en miniatura, simplificado, pero aún similar al cerebro. Para modelar con mayor precisión el cerebro humano, está creando organoides que viven más y imitar diferentes tipos de estructuras cerebrales.
Usando este enfoque, Lancaster ha descubierto que una proteína llamada ZEB2 es fundamental para regular la notable expansión del desarrollo que hace que los cerebros humanos sean mucho más grandes que los de los simios. Comprender los procesos que gobiernan el tamaño del cerebro podría ayudarnos a comprender mejor las causas de la microcefalia y otros trastornos en los que el cerebro fetal no se desarrolla adecuadamente.
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Pequeños grupos cerebrales ofrecen nuevas pistas sobre la causa del autismo Organoides cerebrales elaborados a partir de células madre de pacientes con autismo podrían ayudar a los investigadores a determinar los factores que conducen al trastorno.El desarrollo del cerebro que ocurre después del nacimiento también es importante. Rebecca Saxe del MIT está trabajando para comprender las estructuras cerebrales y las actividades responsables de la cognición social, lo que nos permite considerar los estados mentales de otras personas.
Saxe ha descubierto una particular región del cerebro eso es clave; estudiando cómo cambia la actividad en esta región y en otras a lo largo de la infancia , ella puede ser capaz de entender cómo se desarrollan las habilidades sociales. También descubrió que estos patrones de actividad cerebral están alterados en personas con desórdenes del espectro autista .
La siguiente frontera:
Aunque los investigadores están comenzando a comprender algunos de los procesos que gobiernan el desarrollo y han identificado cosas que pueden descarrilarlo, estamos lejos de poder intervenir cuando ocurren tales problemas. Pero a medida que obtengamos información, algún día podríamos probar terapias u otras formas de abordar estos problemas de desarrollo.
Computadoras que imitan el cerebro
Lo que es:
Los neurocientíficos computacionales usan modelos matemáticos para comprender mejor cómo las redes de células cerebrales nos ayudan a interpretar lo que vemos y escuchamos, integran nueva información, crean y almacenan recuerdos y toman decisiones.
Por qué es importante:
Comprender cómo la actividad de las neuronas gobierna la cognición y el comportamiento podría conducir a formas de mejorar la memoria o comprender los procesos de la enfermedad.
La vanguardia:
Terry Sejnowski, neurobiólogo computacional del Instituto Salk, ha construido un modelo de computadora de la corteza prefrontal y analizó su desempeño en una tarea en la que una persona (o una máquina) tiene que clasificar las tarjetas de acuerdo con una regla que siempre está cambiando. Si bien los humanos son excelentes para adaptarse, las máquinas generalmente tienen dificultades. Pero la computadora de Sejnowski, que imita los patrones de flujo de información observados en el cerebro, se desempeñó bien en esta tarea. Esta investigación podría ayudar a las máquinas a pensar más como humanos y adaptarse más rápidamente a las nuevas condiciones.
Aude Oliva, directora del MIT-IBM Watson AI Lab del MIT, utiliza herramientas computacionales para modelar y predecir cómo los cerebros perciben y recuerdan la información visual. Su investigación muestra que diferentes imágenes dar lugar a ciertos patrones de actividad tanto en la corteza del mono como en los modelos de redes neuronales, y que estos patrones predicen qué tan memorable será una determinada imagen.
La siguiente frontera:
Investigaciones como la de Sejnowski pueden inspirar máquinas más inteligentes, pero también podrían ayudarnos a comprender los trastornos en los que se altera la función de la corteza prefrontal, incluida la esquizofrenia, la demencia y los efectos del traumatismo craneal.
¿Por qué las cosas se desmoronan?
Lo que es:
Los investigadores están tratando de determinar los factores de riesgo genéticos y ambientales de las enfermedades neurodegenerativas, así como los mecanismos subyacentes de las enfermedades.
TerciopeloPor qué es importante:
Mejorar la prevención, la detección temprana y el tratamiento de enfermedades como el Alzheimer, el Parkinson, la enfermedad de Huntington, la encefalopatía traumática crónica y la ELA beneficiaría a millones de personas en todo el mundo.
La vanguardia:
Yakeel Quiroz, del Hospital General de Massachusetts, estudia los cambios en la estructura y función del cerebro que ocurren antes de la aparición de los síntomas de la enfermedad de Alzheimer. Está buscando biomarcadores que puedan usarse para la detección temprana de la enfermedad y tratando de identificar objetivos potenciales para la terapia. Una potencial biomarcador de la enfermedad de Alzheimer de inicio temprano que ella encontró, una proteína llamada NfL, está elevada en la sangre más de dos décadas antes de que aparezcan los síntomas. Quiroz también ha identificado a una mujer con una mutación genética protectora eso le impidió desarrollar deterioros cognitivos y degeneración cerebral a pesar de que su cerebro mostraba altos niveles de amiloide, una proteína implicada en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer. Estudiar los efectos de esta mutación beneficiosa podría conducir a nuevas terapias.
Investigadores del Iniciativa de Detección Precoz de Enfermedades Neurodegenerativas en el Reino Unido están analizando si los datos digitales recopilados por teléfonos inteligentes o dispositivos portátiles podrían dar advertencias tempranas de enfermedades antes de que se desarrollen los síntomas. Una de las iniciativas proyectos —una asociación con la Universidad de Boston— recopilará datos mediante aplicaciones, seguimiento de actividad y seguimiento del sueño en personas con y sin demencia para identificar posibles firmas digitales de la enfermedad.
La siguiente frontera:
A medida que aprendemos más sobre las causas subyacentes de las enfermedades neurodegenerativas, los investigadores intentan traducir este conocimiento en tratamientos efectivos. En la actualidad, se están realizando ensayos clínicos avanzados que se enfocan en los nuevos mecanismos de la enfermedad para muchos trastornos neurodegenerativos, incluidos alzheimer , Parkinson , y COMO .
todo esta conectado
Lo que es:
Los investigadores de conectómica mapean y analizan las conexiones neuronales, creando un diagrama de cableado para el cerebro.
Por qué es importante:
Comprender estas conexiones arrojará luz sobre cómo funciona el cerebro; muchos proyectos están explorando cómo se alteran las conexiones a escala macro durante desarrollo , envejecimiento , o enfermedad .
La vanguardia:
Mapear estas conexiones no es fácil, puede haber tantas como 100 trillones de conexiones en el cerebro humano , y todos son pequeños. Los investigadores deben encontrar las mejores formas de etiquetar neuronas específicas y rastrear las conexiones que hacen con otras neuronas en partes remotas del cerebro, refinar la tecnología para recopilar estas imágenes y descubrir cómo analizar las montañas de datos que produce este proceso.
Una colaboración que incluyó al científico informático de Google Viren Jain y al neurocientífico de Harvard Jeff Lichtman completó recientemente el mapa más detallado de una sección del cerebro humano alguna vez producido. Al obtener imágenes de un milímetro cúbico de cerebro a escala nanométrica, mapearon 50.000 células y más de 130 millones de sinapsis, lo que resultó en 1,4 petabytes de datos. Anteriormente, Lichtman había ayudado a desarrollar arco iris , una técnica que permite el etiquetado coloreado de neuronas individuales en animales vivos, lo que permite a los científicos rastrear las conexiones neuronales.
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Este es un mapa de quinientos millones de conexiones en un diminuto trozo de cerebro de ratón. Nuestros cerebros no son tan diferentes de los cerebros de los ratones, y un nuevo conjunto masivo de datos nos brinda una mirada más cercana a ambos.
Sebastian Seung, un neurocientífico computacional de Princeton, fue pionero en una técnica que utiliza el crowdsourcing y el aprendizaje automático para convertir imágenes sin procesar en mapas neuronales tridimensionales utilizables, con sinapsis identificadas y tipos de células clasificados. En el primer proyecto, llamado EyeWire , los científicos ciudadanos ayudaron a mapear las neuronas en la retina. El proyecto actual, Alambre de volar , es un esfuerzo ambicioso para mapear las conexiones neuronales en todo el cerebro de una mosca de la fruta.
El Instituto Allen de Seattle, un actor importante en la investigación de la conectividad cerebral, pone a disposición del público sus mapas cerebrales. A ratón atlas de conectividad cerebral que está compilado incluye mapas específicos del tipo de célula de conexiones entre el tálamo (una estación de retransmisión sensorial y motora) y la corteza.
La siguiente frontera:
Mapear las conexiones neuronales individuales en el cerebro humano no es poca cosa. También hay variaciones tanto entre individuos como dentro de ellos; es probable que las conexiones cambien a medida que nuestros cerebros se desarrollan, aprenden y envejecen. La creación de mapas cerebrales individuales a microescala para todos probablemente nos proporcionaría un nivel de conocimiento sin precedentes, pero por ahora ese es un sueño lejano.
Salud mental
Lo que es:
Por qué y cómo se desarrollan las enfermedades psiquiátricas y los trastornos cerebrales sigue siendo un gran misterio. Los neurocientíficos usan neuroimágenes, genética, bioquímica, aprendizaje automático, estudios de comportamiento y más para comprender las causas moleculares y ambientales.
TerciopeloPor qué es importante:
La enfermedad mental es una de las principales causas de discapacidad en todo el mundo. Unos 264 millones de personas tienen depresión, 45 millones tienen trastorno bipolar y 20 millones tienen esquizofrenia.
La vanguardia:
Satrajit Ghosh, neurocientífico del MIT, está utilizando patrones de habla y neuroimagen para mejorar las evaluaciones de salud mental en humanos. A corto plazo, Ghosh espera que esto pueda usarse para mejorar el diagnóstico, y ya hay algunas pruebas de que puede ayudar a predecir qué pacientes responderán a qué terapias. Pero en el futuro, dice Ghosh, queremos poder medir algo, predecir algún estado futuro y... ajustar el comportamiento sobre la marcha para que nunca llegue a ese estado.
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Las terapias que utilizan la estimulación cerebral ofrecen nuevas opciones de tratamiento para el trastorno obsesivo-compulsivo (TOC). Estimulación cerebral profunda —en el que se implantan electrodos en el cerebro— ofrece un alivio sustancial para algunas personas cuyo TOC no responde a otros tratamientos. Las formas menos invasivas de estimulación neural también han mostrado resultados iniciales prometedores. Sólo cinco días de no invasivo estimulación cerebral redujo los comportamientos obsesivo-compulsivos durante tres meses en personas que mostraban algunos síntomas de TOC.
Los investigadores están avanzando en la comprensión y el tratamiento de los trastornos por uso de sustancias, identificando patrones de conectividad cerebral que aumentar o disminuir el riesgo de desarrollar una adicción . Quizás algún día, las vías neuronales que ayudan a las personas a resistir la adicción podrían reforzarse terapéuticamente.
Las drogas que alguna vez se clasificaron como recreativas se están explorando para el tratamiento de enfermedades mentales. En 2019, la Administración de Drogas y Alimentos de EE. esketamina aprobada para la depresión resistente al tratamiento , la primera vez en 30 años que un fármaco con un nuevo mecanismo de acción había sido aprobado para la condición. Más recientemente, un ensayo clínico etapa 3 mostró que las personas con trastorno de estrés postraumático que recibieron MDMA (también conocido como éxtasis) junto con la terapia tradicional mejoraron sustancialmente en comparación con las que recibieron terapia sola. La psilocibina, el componente activo de los hongos mágicos, se encuentra en ensayos clínicos para el tratamiento de la depresión, el trastorno por consumo de alcohol, el TOC, la anorexia y más.
La siguiente frontera:
Algún día, los pacientes con trastornos cerebrales podrán ser evaluados y tratados en función de su genética, junto con biomarcadores y exploraciones de actividad cerebral.
Los investigadores están explorando cómo la genética podría guiar las opciones de tratamiento para los pacientes con depresión , cómo conectividad en regiones del cerebro como la amígdala podría conducir a una comprensión más personalizada de los trastornos relacionados con el miedo y la ansiedad, y cómo a base de sangre los biomarcadores podrían rastrear la respuesta al tratamiento en la depresión y el trastorno bipolar.