Durante casi una década, un equipo internacional de investigadores ha estado mapeando meticulosamente los centros de visión del cerebro de un ratón. Su innovador trabajo, publicado en Nature, ha resultado en el mapa más grande y detallado de circuitos neuronales en un cerebro de mamífero hasta la fecha, prometiendo revolucionar nuestra comprensión de la función cerebral y las enfermedades.
Se ha revelado un logro innovador en neurociencia: un mapa altamente preciso y detallado de los centros de visión en el cerebro de un ratón. Esta empresa monumental, que abarca nueve años e involucra a un equipo internacional de más de 150 investigadores de 22 instituciones, representa la representación más grande e intrincada de circuitos neuronales en un cerebro de mamífero hasta la fecha. La importancia de este mapa radica en su potencial para revolucionar nuestra comprensión tanto de la función cerebral normal como de los trastornos neurológicos.
El impacto principal de este mapa cerebral detallado es su promesa de acelerar el estudio de los procesos cerebrales fundamentales. Al proporcionar una visión sin precedentes de la intrincada conexión y las conexiones dentro de la corteza visual, los investigadores pueden obtener conocimientos más profundos sobre cómo el cerebro ve, almacena y procesa recuerdos, y navega por entornos complejos. Esta comprensión anatómica y fisiológica de los circuitos neuronales es crucial para descifrar los mecanismos subyacentes a estas funciones cognitivas esenciales.
Además, este mapa está a punto de avanzar significativamente en el estudio de enfermedades cerebrales, particularmente aquellas que se sospecha que surgen de una conexión neuronal atípica, como el autismo y la esquizofrenia. Como explica H. Sebastian Seung, co-líder del proyecto y profesor de la Universidad de Princeton, “Las tecnologías desarrolladas por este proyecto nos darán la primera oportunidad de identificar realmente algún tipo de patrón anormal de conectividad que da lugar a un trastorno”. Esta capacidad para identificar irregularidades estructurales relacionadas con la enfermedad ofrece una nueva vía para el diagnóstico y el desarrollo de tratamientos dirigidos.
El proyecto, financiado principalmente por la Oficina del Director de Inteligencia Nacional de EE. UU. y los Institutos Nacionales de Salud, destaca el amplio interés en esta investigación. Los representantes de los NIH han elogiado este trabajo como fundamental para futuros estudios de salud, enfermedad y trastorno. El interés de la oficina de inteligencia, como se indica, es “aplicar ingeniería inversa a los algoritmos del cerebro” para aplicaciones en el aprendizaje automático de próxima generación. Esto subraya el potencial de este mapa para informar el desarrollo de una inteligencia artificial más eficiente y sofisticada, inspirándose en la notable capacidad del cerebro de los mamíferos para tomar decisiones complejas con datos mínimos.
Una innovación clave de este proyecto radica en su capacidad para hacer coincidir la forma y la función dentro del cerebro. Como afirma Andreas Tolias, neurocientífico que codirigió el proyecto, “Lo que es único de estos datos es que reunieron, en un solo experimento, tanto la estructura como la función”. Para lograr esto, los investigadores desenredaron y rastrearon digitalmente decenas de miles de neuronas individuales, reconstruyéndolas en una vasta red de circuitos, o un “conectoma”, que abarca más de medio billón de conexiones dentro de un solo milímetro cúbico de tejido cerebral, incluida la corteza visual primaria y la retina.
Los investigadores emplearon un enfoque sofisticado para capturar datos estructurales y funcionales. Mientras el ratón era estimulado visualmente al ver videoclips dinámicos, incluidas escenas de películas como *The Matrix* y *Mad Max: Fury Road*, un sofisticado sistema de imágenes rastreó su actividad cerebral midiendo la presencia de iones de calcio, lo que indica el flujo de información. Esto permitió al equipo no solo observar cómo se organiza la actividad, sino también cómo se relaciona con la estructura y las conexiones celulares subyacentes.
El proceso de creación de este mapa fue increíblemente laborioso e involucró múltiples etapas. Después de las imágenes funcionales, el cerebro del ratón se envió al Instituto Allen, donde se cortó en aproximadamente 28.000 capas ultrafinas. Luego, se utilizó la microscopía electrónica para obtener imágenes de cada corte, y estas imágenes se reconstruyeron posteriormente en un compuesto. El equipo de Seung en Princeton utilizó inteligencia artificial para rastrear el contorno de cada neurona a través de estas miles de secciones, un proceso llamado segmentación. Esta segmentación generada por IA fue luego revisada meticulosamente por humanos para garantizar la precisión, una tarea importante que aún está en curso para una parte del diagrama.
La vista unificada resultante del conectoma y su actividad es increíblemente poderosa, lo que permite a los científicos hacer hallazgos sorprendentes. Los investigadores del consorcio ya han descubierto nuevas relaciones entre las neuronas, han identificado las preferencias de tipos específicos de neuronas y han explorado cómo estas características influyen en las funciones de orden superior. Tolias cree que estos descubrimientos iniciales son “solo la punta del iceberg”, lo que sugiere el vasto potencial para futuras investigaciones utilizando este conjunto de datos.
Más allá de la investigación fundamental, los datos de este proyecto también se han utilizado para crear modelos digitales de alta fidelidad del cerebro del ratón, conocidos como gemelos digitales. Estos modelos sirven como herramientas poderosas para sondear nuevas preguntas y desarrollar hipótesis sutiles que luego pueden validarse a través de experimentos de laboratorio, acelerando aún más el ritmo de descubrimiento en neurociencia.
Los avances tecnológicos realizados durante este proyecto han mejorado significativamente la eficiencia del mapeo del conectoma. Thomas Macrina, que trabajó en el proyecto como estudiante de posgrado y desde entonces ha lanzado una empresa especializada en servicios de mapeo de conectomas, señala que los métodos se han vuelto mucho más rápidos y eficientes. Este progreso está allanando el camino para mapear los conectomas de varias especies, desde insectos hasta primates e incluso humanos. A medida que estas herramientas sean más accesibles, prometen fundamentar los estudios funcionales y de comportamiento en la realidad física de los circuitos neuronales, lo que lleva a Macrina a sugerir que “cada experimento de neurociencia debería, de alguna manera, hacer referencia a un conectoma”.
Este logro contrasta marcadamente con el escepticismo expresado por el destacado biólogo Francis Crick en 1979, quien sugirió que lograr “el diagrama de cableado exacto para un milímetro cúbico de tejido cerebral y la forma en que se disparan todas sus neuronas” era un objetivo imposible. Este proyecto ha demostrado efectivamente la viabilidad de lo que alguna vez se consideró inalcanzable, sirviendo como un poderoso testimonio de los rápidos avances en la tecnología y la metodología de la neurociencia.
Seung establece un paralelismo entre el impacto más amplio del mapeo del conectoma humano y el efecto transformador del Proyecto Genoma Humano en la genómica. Así como el Proyecto Genoma Humano proporcionó información fundamental sobre los genes humanos, el proyecto del conectoma está marcando el “comienzo de la transformación digital de la ciencia del cerebro”. Este acceso digital a los circuitos cerebrales permite a los investigadores buscar rápidamente información que antes habría requerido una extensa investigación individual, lo que destaca el inmenso poder de este cambio digital.
Sin embargo, es importante reconocer las diferencias inherentes entre el genoma y el conectoma. Si bien el genoma se puede representar como una secuencia lineal, el cerebro es una red compleja y enredada que procesa la información de forma dinámica y eficiente. Por lo tanto, si bien la transformación de la ciencia del cerebro puede ser aún más profunda que la de la genómica, también requerirá un mayor esfuerzo y creatividad para realizar plenamente su potencial. Como señala Tolias, el conectoma no es el “código neuronal” en sí mismo; comprender el “software” del cerebro, los procesos y algoritmos dinámicos, también es crucial para responder a las preguntas más importantes sobre la cognición y la conciencia.
El éxito de este proyecto se basa en los esfuerzos anteriores para mapear los conectomas de organismos más simples. Los conectomas completos de ambos sexos del gusano nematodo *C. elegans* se completaron en 2019, y el conectoma completo de una mosca de la fruta se publicó el año pasado, con muchos investigadores que contribuyeron a ambos proyectos. Las técnicas y los enfoques desarrollados y perfeccionados en el estudio de estos cerebros más pequeños fueron fundamentales para abordar el cerebro del ratón, significativamente más grande y complejo.
El conjunto de datos para el cerebro del ratón está disponible públicamente, lo que permite a los investigadores de todo el mundo utilizarlo para probar teorías y desarrollar nuevos enfoques para estudiar el cerebro. Si bien un milímetro cúbico de cerebro de ratón es significativamente más grande y complejo que todo el cerebro de la mosca de la fruta, este nuevo mapa representa solo una fracción del conectoma completo del ratón.
El salto de un conectoma parcial de ratón a un conectoma humano completo sin duda requerirá una cantidad sustancial de tiempo, recursos e ingenio. Sin embargo, los investigadores involucrados en este proyecto son optimistas, y señalan que el mapa actual parecía imposible hace solo unas décadas. J. Alexander Bae, que trabajó en el proyecto durante muchos años, reflexiona sobre el escepticismo inicial y la inmensa dificultad del trabajo, gran parte del cual se hizo a mano y requirió la invención de nuevas herramientas. Expresa asombro por su éxito, reconociendo que el fracaso podría haber llevado al colapso del campo de la conectómica.
En cambio, la conectómica está a punto de un crecimiento explosivo. Con cada aumento en el tamaño y la complejidad de los conectomas mapeados, los científicos están desarrollando nuevas técnicas, inventando nuevas tecnologías y resolviendo nuevos problemas, lo que lleva a resultados cada vez más detallados y complejos que pueden explorarse más a fondo. Seung ve esto como “solo un comienzo”, abriendo la puerta a una nueva era de simulaciones cerebrales realistas. Este progreso inevitablemente plantea profundas preguntas sobre la posibilidad de simular un cerebro humano y si tal simulación podría alguna vez lograr la conciencia, preguntas que Seung reconoce que son complejas y sin respuestas fáciles.
Después de nueve años, un equipo internacional ha mapeado una parte significativa de los centros de visión del cerebro de un ratón, creando el mapa cerebral de mamífero más grande y detallado hasta la fecha. Este avance promete acelerar la investigación sobre la función cerebral y las enfermedades, especialmente condiciones como el autismo y la esquizofrenia, e incluso inspirar el aprendizaje automático avanzado. Aunque es un logro monumental, es solo el comienzo, un testimonio del ingenio humano y una mirada al futuro donde la comprensión de la intrincada conexión del cerebro podría revelar profundos conocimientos sobre la propia conciencia.
Leave a Reply