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Por qué es importante el proyecto de mapeo cerebral de Obama
La semana pasada, el presidente Obama anunció oficialmente $ 100 millones en fondos para posiblemente la iniciativa de neurociencia más ambiciosa jamás propuesta.
El Investigación del cerebro a través del avance de neurotecnologías innovadoras , o BRAIN, como se llama ahora el proyecto, tiene como objetivo reconstruir la actividad de cada neurona a medida que se activan simultáneamente en diferentes circuitos cerebrales, o tal vez incluso en cerebros completos.
El próximo gran proyecto estadounidense, como lo llamó Obama, podría ayudar a los neurocientíficos a comprender los orígenes de la cognición, la percepción y otras actividades cerebrales enigmáticas, lo que puede conducir a tratamientos nuevos y más efectivos para afecciones como el autismo o los trastornos del estado de ánimo y podría ayudar a los veteranos que sufren de Lesiones Cerebrales.
La ciencia del gran cerebro también está en la mente de los europeos; La Unión Europea anunció recientemente una propuesta de 10 años de casi 1200 millones de euros para simular computacionalmente el cerebro humano desde el nivel de moléculas y neuronas a través de circuitos neuronales.
Varias herramientas, desde la genética y la biología molecular, han ayudado a los investigadores a comprender cómo se comportan las neuronas como individuos. Pero los neurocientíficos ahora pueden estudiar solo la actividad de un puñado de estas células cerebrales a la vez utilizando sondas de electrodos sensibles al voltaje.
Ya se están realizando otros esfuerzos para mapear las conexiones físicas en el cerebro, pero estos proyectos miran cerebros muertos o proporcionan solo una vista aproximada y de baja resolución de cómo se comunican las regiones del cerebro. Por ejemplo, el Instituto Allen de Ciencias del Cerebro ha desarrollado varios de los llamados Atlas del Cerebro que mapean las conexiones físicas entre las neuronas en los cerebros de diferentes especies, así como los patrones de genética única en cada neurona. Si bien estos mapas estáticos son excelentes para aprender sobre la arquitectura del cerebro, no brindan información sobre cómo la actividad neuronal conduce al funcionamiento del cerebro.
Es posible obtener una visión aproximada de la actividad del circuito neuronal completo utilizando herramientas como MRI y EEG, pero solo a baja resolución. Y el comportamiento del cerebro entre estas dos escalas —cómo interactúan miles o millones de neuronas para controlar el comportamiento de circuitos discretos en el cerebro— ha sido inaccesible. Los científicos aún no comprenden cómo las complejas interacciones entre muchas neuronas a la vez dan lugar a la función del circuito neural.
La iniciativa BRAIN propone desarrollar nuevas tecnologías que puedan registrar la actividad de miles, si no millones o miles de millones, de neuronas simultáneamente en escalas de tiempo que coinciden con el comportamiento y las actividades mentales. La iniciativa probablemente abordará circuitos cerebrales discretos dentro de diferentes especies de animales para comprender cómo las neuronas trabajan juntas para dar lugar a comportamientos, estados de ánimo y otros fenómenos mentales.
Será necesario desarrollar tecnologías novedosas para lograr los objetivos de BRAIN, y es probable que se aprovechen de los avances recientes en nanotecnología. Los sensores existentes pueden registrar la actividad eléctrica de las neuronas, pero normalmente pueden monitorear menos de 100 neuronas a la vez.
Las técnicas emergentes de micro y nanofabricación podrían usarse para crear chips más pequeños que lleven sondas eléctricas e incluso químicas más pequeñas que serían menos invasivas. Las nanoprobes que llevan varias docenas de electrodos, por ejemplo, podrían apilarse para sondear cientos de miles de sitios de grabación y transmitir datos de forma inalámbrica.
Alternativamente, las nanopartículas que transportan moléculas que las llevan a tipos celulares específicos podrían alojarse en las membranas celulares, por lo que la colocación quirúrgica no sería necesaria. Las nanopartículas también podrían transportar moléculas que pueden detectar la actividad eléctrica, la presión o incluso ciertas sustancias químicas que revelan la actividad cerebral.
Las nuevas técnicas ópticas también podrían ayudar al proyecto de cartografía. Cuando se activa una neurona, aumenta la cantidad de calcio dentro de las células, por lo que muchos grupos de investigación utilizan tintes fluorescentes sensibles al calcio para estudiar la actividad de las neuronas. Pero esta medida se elimina una vez de la actividad eléctrica real de la neurona. Una molécula fluorescente sensible al voltaje u otro agente de formación de imágenes podría proporcionar una visión más precisa de la actividad.
La biología sintética podría ser otra herramienta útil. Las enzimas que forman hebras de ADN son sensibles a la concentración de iones e introducirán más errores en su producción de ADN en presencia de calcio. Como tal, estas enzimas podrían usarse como sensores para la actividad neuronal. Se podría implantar una secuencia de ADN predeterminada en las neuronas y, a medida que se copia, la hebra de ADN resultante proporcionaría un registro de los patrones de errores correspondientes a los patrones de actividad neuronal. Posteriormente, podrían secuenciarse hebras de diferentes neuronas con puntos de error.
Los investigadores esbozaron una hoja de ruta aproximada para el proyecto en un Propuesta 2012 . Lo más probable es que la iniciativa comience con el desarrollo de métodos mejorados de obtención de imágenes de calcio para registrar la activación de las neuronas, seguidos de imágenes de voltaje de la actividad neuronal. Dado que estos dos métodos solo mirarían las estructuras de la superficie (porque la luz no puede viajar muy lejos en el tejido cerebral), el tercer paso podría ser el desarrollo de grandes conjuntos de nanoprobes.
En los primeros cinco años, la iniciativa puede comenzar con pequeños circuitos, como todo el sistema nervioso del nematodo. C. elegans (que tiene solo 302 neuronas y 7,000 conexiones) y circuitos discretos del cerebro de la mosca de la fruta. Los circuitos individuales en el sistema nervioso de un ratón, como el de la retina o el centro del olfato, podrían abordarse dentro de 10 años, y dentro de los 15 años, los científicos podrían reconstruir la actividad neuronal de todo el neocórtex de un ratón.
Incluso sin explorar directamente el cerebro humano, los conocimientos resultantes podrían tener un impacto profundo en la neurociencia y la medicina, es decir, si todo en este próximo gran proyecto estadounidense sale según lo planeado.