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Un diagrama de cableado del cerebro
Las nuevas tecnologías que permiten a los científicos rastrear el cableado fino del cerebro con mayor precisión que nunca antes podrían generar pronto un diagrama de cableado completo, que incluye cada fibra diminuta y cada conexión minúscula, de una parte del cerebro. Estos mapas, denominados conectómica, podrían descubrir cómo las redes neuronales realizan sus funciones precisas en el cerebro y podrían arrojar luz sobre los trastornos que se cree que se originan en un cableado defectuoso, como el autismo y la esquizofrenia.
Analizando axones: Los científicos están desarrollando nuevas formas de estudiar la maraña de neuronas del cerebro. Esta imagen muestra una reconstrucción parcial de la retina del conejo. Las proyecciones neuronales, que conectan neurona a neurona, están etiquetadas en diferentes colores.
El cerebro es esencialmente una computadora que se conecta a sí misma durante el desarrollo y puede reconectarse a sí misma, dice Sebastian Seung , neurocientífico computacional del MIT. Si tenemos un diagrama de cableado del cerebro, eso podría ayudarnos a comprender cómo funciona. Por ejemplo, los científicos identificaron previamente la parte del cerebro del pájaro cantor que es importante en la capacidad de las aves para generar canciones. En última instancia, a Seung le gustaría desarrollar un diagrama de cableado de esta estructura para dilucidar las características subyacentes a su capacidad única.
Actualmente solo existe el diagrama de cableado de un organismo: el del gusano microscópico C. elegans . A pesar de contener solo 302 neuronas, el C. elegans El esfuerzo de mapeo tardó más de una década en completarse, en la década de 1970. Ha sido un recurso de investigación invaluable y le valió a sus creadores un Premio Nobel.
Con un estimado de 100 mil millones de neuronas y 100 billones de sinapsis en el cerebro humano, crear un mapa que lo abarque todo, incluso de una pequeña parte, es una tarea abrumadora. Usando métodos estándar, se necesitarían aproximadamente tres mil millones de personas-años para generar el diagrama de cableado de una sola columna cortical, una unidad funcional estrecha de neuronas en la corteza, estima Winfried Denk , neurocientífico del Instituto Max Planck de Investigación Médica en Heidelberg, Alemania.
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Vea una reconstrucción tridimensional de un trozo de retina de conejo.
Denk, Seung y sus colaboradores ahora están desarrollando nuevas técnicas sensibles de imágenes y algoritmos de aprendizaje automático para automatizar el proceso de construcción. Ya han generado un diagrama de cableado parcial de parte de la retina del conejo. Pero necesitarán hacer su técnica un millón de veces más rápido para finalmente traer mapas más grandes, como el de una columna cortical, al reino de la realidad.
Los esfuerzos anteriores para mapear el cableado del cerebro se han centrado en características anatómicas más grandes, como los gruesos tramos de cableado que conectan diferentes partes del cerebro, o en las trayectorias de neuronas individuales, teñidas de un color particular para distinguirlas de su multitud enredada de neuronas. vecinos. Pero para comprender verdaderamente cómo una red de neuronas puede realizar una función particular, los científicos necesitan un nuevo tipo de mapa. Muchas propiedades de la función cerebral están a nivel del circuito: la información se integra, procesa y extrae, dice Elly Nedivi , neurocientífico del MIT que no participa en la investigación. Para comprender lo que eso significa, debe poder ver quién se conecta con quién.
Denk y sus colegas desarrollaron una nueva técnica para hacer mapas de cableado a escala más fina utilizando microscopía electrónica. Comenzando con un pequeño bloque de tejido cerebral, los investigadores hacen rebotar electrones en la parte superior del bloque para generar una imagen transversal de las fibras nerviosas en ese corte. Luego, toman una rebanada muy delgada de 30 nanómetros de la parte superior del bloque y repiten el proceso. Los científicos revisan las imágenes corte por corte para rastrear el camino de cada fibra nerviosa. Repita este [proceso] miles de veces y podrá atravesar tal vez todo el cerebro de la mosca, dice Denk.
Seung y Denk apuntan a acelerar drásticamente el proceso de rastreo, que lleva semanas a un solo estudiante graduado en completarse, con algoritmos automatizados de aprendizaje automático. Los investigadores utilizan datos de un diagrama de cableado generado manualmente para entrenar una red neuronal artificial para emular el proceso de rastreo humano. Luego, pueden usar el algoritmo resultante para analizar nuevos trozos de tejido cerebral. Hasta la fecha, han podido acelerar el proceso entre cien y mil veces.
Los investigadores presentaron sus hallazgos iniciales a una multitud asombrada en el Sociedad de neurociencias reunión en San Diego a principios de este mes. Mostraron la reconstrucción tridimensional de una parte de la retina del conejo llamada capa plexiforme interna, que es una pieza de tejido neural en la parte posterior del ojo que detecta la luz y envía información visual al cerebro. (Vea una película de la reconstrucción aquí). Pero necesitamos mejorar 106 veces o más, dice Denk, quien estima que esto reduciría los tres mil millones de años-persona que se necesitarían para rastrear una columna cortical hasta aproximadamente dos años. Confío en que al final seremos capaces de hacerlo, dice. Pero no sé cuánto tiempo nos llevará, si tenemos suerte, tal vez un año más o menos.
A principios de este mes, los científicos de Harvard describieron un nuevo método para rastrear neuronas en el cerebro vivo etiquetándolas con hasta cien colores diferentes. (Consulte El cerebro en tecnicolor). Estamos empezando a pensar que los diagramas de cableado son fundamentales, dice Jeff Lichtman, uno de los investigadores que desarrolló la técnica.
Los investigadores dicen que los dos enfoques probablemente serán complementarios, lo que permitirá a los científicos observar circuitos neuronales de diferentes dimensiones. Finalmente, Seung tiene como objetivo generar mapas del conectoma de mosca completo, así como diagramas de cableado parciales de ubicaciones interesantes en cerebros más grandes, como el hipocampo, el bulbo olfatorio y la retina.
La cantidad exacta de luz que estos mapas arrojarán sobre el cerebro sigue siendo algo controvertida. El simple hecho de conocer los datos [cableados] no nos llevará muy lejos si no los ponemos en el marco del procesamiento y la transferencia de datos en el cerebro, dice David van Essen , neurocientífico de la Universidad de Washington, en St. Louis, y presidente de la Sociedad de Neurociencias. Seung y otros eventualmente esperan generar mapas que incorporen las propiedades bioquímicas y fisiológicas de varias células en los diagramas de cableado.