Durante nueve años, un equipo internacional de investigadores ha estado mapeando meticulosamente los centros de visión del cerebro de un ratón, culminando en un mapa innovador y detallado publicado esta semana. Esta representación sin precedentes de los circuitos neuronales representa el mapa más grande y detallado de este tipo de un cerebro de mamífero hasta la fecha, prometiendo revolucionar nuestra comprensión de la función cerebral, tanto en individuos sanos como en aquellos con trastornos neurológicos como el autismo y la esquizofrenia.
Después de nueve años de esfuerzo dedicado, un equipo internacional de investigación reveló un mapa detallado de los centros de visión en el cerebro de un ratón, marcando un avance significativo en la comprensión de la percepción de los mamíferos. Este mapa, la representación más extensa e intrincada de los circuitos neuronales en un cerebro de mamífero hasta la fecha, promete revolucionar el estudio de la función cerebral normal, la memoria y la navegación, al tiempo que profundiza la investigación de los trastornos cerebrales.
El objetivo principal del proyecto es acelerar el estudio tanto de la función cerebral normal como de los trastornos cerebrales. Esto es particularmente prometedor para afecciones como el autismo y la esquizofrenia, que pueden derivarse de una conexión atípica. Como explicó Sebastian Seung, colíder del proyecto, las tecnologías desarrolladas ofrecen la primera oportunidad real de identificar patrones de conectividad anormales que contribuyen a tales trastornos. El trabajo se publicó en una edición especial de la revista Nature el 9 de abril, mostrando la culminación de la investigación.
El esfuerzo de colaboración involucró a más de 150 investigadores de 22 instituciones, codirigido por equipos de la Universidad de Princeton, el Baylor College of Medicine y el Allen Institute for Brain Science. El proyecto recibió una financiación sustancial de la Oficina del Director de Inteligencia Nacional de EE. UU. y los Institutos Nacionales de Salud (NIH). El NIH considera este trabajo fundamental para el futuro de la salud, la enfermedad y los trastornos. La oficina de inteligencia está interesada en “la ingeniería inversa de los algoritmos del cerebro” para su uso en las técnicas de aprendizaje automático de próxima generación, como se indica en un sitio web del gobierno. Esto se basa en el hecho de que los cerebros de los mamíferos son mucho más eficientes que las computadoras para tomar decisiones complejas utilizando datos limitados.
El mapa representa una nueva forma de estudiar cómo funciona el cerebro. Andreas Tolias, neurocientífico y colíder del proyecto, enfatizó que el cerebro es el tejido biológico que nos permite ver el mundo, tener sentimientos y tomar decisiones. Los investigadores desenredaron digitalmente decenas de miles de neuronas individuales, rastreando sus ramas y reconstruyéndolas en una vasta red de circuitos, conocida como conectoma.
El conectoma resultante incluye más de quinientos millones de conexiones dentro de un milímetro cúbico de tejido cerebral, incluida la corteza visual primaria. Tolias destacó la singularidad de los datos, que reunieron tanto la estructura como la función del cerebro en un solo experimento. Para recopilar estos datos, los investigadores mostraron al ratón videoclips cortos mientras monitoreaban su actividad cerebral utilizando un sistema de imágenes. Rastreadon los patrones de actividad cerebral del animal midiendo la presencia de iones de calcio, lo que indica el flujo de información.
El proceso requería que el ratón estuviera despierto y visualmente estimulado, por lo que corrió en una cinta de correr mientras veía escenas dinámicas de 10 segundos de películas y deportes extremos. Luego, el cerebro del ratón se cortó en unas 28.000 capas delgadas y se utilizó la microscopía electrónica para obtener imágenes de cada corte. Las imágenes se reconstruyeron en un compuesto y la IA se utilizó para rastrear y colorear cada neurona, un proceso llamado segmentación. Esta segmentación generada por IA fue validada por humanos.
La visión unificada del conectoma y su actividad ha llevado a hallazgos sorprendentes sobre las relaciones y preferencias neuronales, que influyen en las funciones de orden superior. Tolias cree que estos hallazgos son solo el comienzo. Además, el equipo ha creado modelos digitales de alta fidelidad del cerebro del ratón, o gemelos digitales, para sondear nuevas preguntas y desarrollar hipótesis.
Los métodos desarrollados se han vuelto más rápidos y eficientes, como destacó Thomas Macrina, quien obtuvo su doctorado en neurociencia e informática durante el proyecto. Los científicos ahora están mapeando los conectomas de varias especies, desde mosquitos hasta macacos y humanos. Macrina cree que estas herramientas acelerarán los descubrimientos en neurociencia, lo que permitirá a los investigadores fundamentar sus estudios en las realidades físicas de los circuitos neuronales. Afirmó que “cada experimento de neurociencia debería, de alguna manera, hacer referencia a un conectoma”.
El proyecto representa una transformación digital de la ciencia del cerebro, similar al impacto del Proyecto Genoma Humano en la genómica. Seung comparó el impacto del mapeo del conectoma humano con la transformación de la genómica. Señaló que el conectoma es el comienzo de la transformación digital de la ciencia del cerebro, lo que permite a los investigadores buscar rápidamente información que antes habría requerido una tesis doctoral.
Sin embargo, existen diferencias clave entre el genoma y el conectoma. Si bien el genoma se puede escribir en una sola línea, el cerebro es una red compleja que procesa información en tiempo real. Tolias enfatiza que comprender las estructuras del cerebro es esencial para comprender cómo funciona y para estudiar las enfermedades, pero responder preguntas sobre la atención y la cognición requerirá una comprensión profunda del software del cerebro.
El proyecto se basa en trabajos anteriores, incluidos los conectomas completos del gusano nematodo C. elegans y la mosca de la fruta. El conjunto de datos del cerebro del ratón está disponible públicamente, lo que permite a los investigadores de todo el mundo probar teorías y desarrollar nuevos enfoques. El mapa actual representa solo una fracción del conectoma completo del ratón.
El salto de un conectoma parcial de ratón a un conectoma humano completo requerirá un esfuerzo significativo. Sin embargo, el mapa actual parecía imposible hace solo unas décadas. J. Alexander Bae, que trabajó en el proyecto, señaló que la idea de rastrear cientos de miles de células y ensamblarlas en una reconstrucción 3D era audaz. Se enfrentaron al escepticismo y tuvieron que inventar muchas de las herramientas necesarias.
El éxito del proyecto ha llevado a un crecimiento explosivo en la conectómica. Seung cree que esto es solo el comienzo, abriendo la puerta a simulaciones cerebrales realistas. Plantea la pregunta de si se puede simular un cerebro humano y si sería consciente.
Después de nueve años, investigadores han presentado un mapa detallado de los centros de visión del cerebro de un ratón, la representación más grande y precisa de circuitos neuronales hasta la fecha. Este avance promete acelerar los estudios sobre la función cerebral y trastornos como el autismo y la esquizofrenia, utilizando IA y técnicas de imagen avanzadas. Si bien es un logro monumental, es solo el comienzo de una transformación digital en la neurociencia, planteando profundas preguntas sobre la conciencia y el futuro de las simulaciones cerebrales realistas, un viaje que podría redefinir nuestra comprensión de nosotros mismos.
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