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Un modelo de cerebro funcional
Un ambicioso proyecto para crear un modelo informático preciso del cerebro ha alcanzado un hito impresionante. Científicos en Suiza que trabajan con investigadores de IBM han demostrado que su simulación por computadora de la columna neocortical, posiblemente la parte más compleja del cerebro de un mamífero, parece comportarse como su contraparte biológica. Al demostrar que su simulación es realista, dicen los investigadores, estos resultados sugieren que todo el cerebro de un mamífero podría modelarse por completo en tres años y un cerebro humano en la próxima década.
Poder del cerebro: Esta representación muestra la conectividad de las 10.000 neuronas y 30 millones de conexiones que componen una única columna neocortical. (Los diferentes colores corresponden a diferentes niveles de actividad eléctrica). Habiendo creado un modelo informático biológicamente exacto de una columna neocortical, los científicos ahora planean modelar todo el cerebro humano en tan solo 10 años.
Lo que estamos haciendo es aplicar ingeniería inversa al cerebro, dice Henry Markram , codirector del Brain Mind Institute en la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suiza, quien dirigió el trabajo, llamado el Cerebro azul proyecto, que comenzó en 2005. (Ver IBM: The Computer Brain). Al imitar el comportamiento del cerebro hasta la neurona individual, los investigadores tienen como objetivo crear una herramienta de modelado que pueda ser utilizada por neurocientíficos para ejecutar experimentos, probar hipótesis, y analizar los efectos de las drogas de forma más eficaz de lo que podrían hacerlo utilizando tejido cerebral real.
El modelo de parte del cerebro se completó el año pasado, dice Markram. Pero ahora, después de extensas pruebas que comparan su comportamiento con los resultados de experimentos biológicos, está satisfecho de que la simulación sea lo suficientemente precisa como para que los investigadores puedan continuar con el resto del cerebro.
Es un trabajo asombroso, dice Thomas Serre , investigadora en neurociencia computacional del MIT. Es probable que esto tenga un impacto tremendo en la neurociencia.
El proyecto comenzó con el objetivo inicial de modelar las 10,000 neuronas y 30 millones de conexiones sinápticas que forman la columna neocortical de una rata, el componente principal de la corteza de un mamífero. Se eligió la columna neocortical como punto de partida porque es ampliamente reconocida como particularmente compleja, con una estructura heterogénea que consta de muchos tipos diferentes de sinapsis y canales iónicos. No tiene sentido soñar con modelar el cerebro si no puedes modelar una pequeña parte de él, dice Markram.
El modelo en sí se basa en datos experimentales de 15 años sobre morfología neuronal, expresión génica, canales iónicos, conectividad sináptica y registros electrofisiológicos de las columnas neocorticales de ratas. Luego, se desarrollaron herramientas de software para procesar esta información y reconstruir automáticamente modelos 3D fisiológicamente precisos de neuronas y sus interconexiones.
Conecta los puntos: Una representación de una columna neocortical de mamífero, el bloque de construcción básico de la corteza. La representación muestra la complejidad de esta parte del cerebro, que ahora se ha modelado utilizando una supercomputadora.
Crédito: GDP / EPFL
Los circuitos neuronales se probaron simulando estímulos de entrada específicos y viendo cómo se comportaban los circuitos, en comparación con los de los experimentos biológicos. Cuando aparecieron lagunas en el conocimiento sobre cómo se suponía que se comportaban ciertas partes del modelo, los científicos regresaron al laboratorio y realizaron experimentos para identificar los tipos de comportamiento que debían reproducirse. De hecho, alrededor de un tercio del equipo de 35 investigadores se dedicó a realizar tales experimentos, dice Markram.
A través de un proceso iterativo de pruebas, la simulación se ha perfeccionado gradualmente hasta el punto en que Markram confía en que se comporta como una columna neocortical real.
Sin embargo, ninguno de estos resultados se ha publicado hasta ahora en la literatura revisada por pares, dice Christof Koch , profesor de biología e ingeniería en Caltech. Y este no es de ninguna manera el primer modelo informático del cerebro, señala. Este es un proceso evolutivo más que revolucionario, dice. Ya en 1989, Koch creó una simulación de 10.000 neuronas, aunque en un modelo mucho más simple.
Además, Koch se muestra escéptico sobre la rapidez con la que puede progresar el modelo cerebral. Cualquier afirmación de que el cerebro humano puede modelarse en 10 años es tan ridícula que no vale la pena discutirla, dice.
Los cerebros de las ratas tienen alrededor de 200 millones de neuronas, mientras que los cerebros humanos tienen entre 50 y 100 mil millones de neuronas. Eso es una gran ampliación, admite Markram.
Pero confía en que su modelo es lo suficientemente robusto como para expandirse indefinidamente. Además, cree que el nivel de detalle del modelo también se puede llevar más allá. Tiene una resolución bastante alta, dice. Todavía está a nivel celular, pero queremos mirar a nivel molecular. Hacerlo permitiría realizar pruebas de drogas basadas en simulación al mostrar cómo las moléculas específicas afectan las proteínas, los receptores y las enzimas.
No me sorprendería que pudieran hacerlo, dice Serre. Sin embargo, no está claro qué podrían sacar de ello, dice. Si desea que este modelo sea útil, debe poder comprender cómo se relaciona el comportamiento con funciones cerebrales específicas. Hasta ahora, no está claro que el proyecto Blue Brain haya hecho esto, dice.