Durante casi una década, un equipo internacional de investigadores ha estado mapeando meticulosamente los centros de visión del cerebro de un ratón. Sus esfuerzos culminaron en una publicación innovadora que detalla la representación más grande y detallada de los circuitos neuronales en un cerebro de mamífero hasta la fecha. Este mapa promete 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 dentro del 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 circuitos neuronales en un cerebro de mamífero hasta la fecha, promete revolucionar el estudio de la función cerebral normal, incluyendo procesos como la visión, el almacenamiento de la memoria y la navegación, así como profundizar la comprensión de los trastornos cerebrales.
El impacto potencial del proyecto es vasto, particularmente en el ámbito de los trastornos cerebrales. Según Sebastian Seung, co-líder del proyecto, las tecnologías desarrolladas “nos darán nuestra primera oportunidad de identificar realmente algún tipo de patrón anormal de conectividad que da lugar a un trastorno”. Esto es especialmente prometedor para afecciones como el autismo y la esquizofrenia, que pueden derivarse de una conexión neuronal atípica. El trabajo, publicado en una edición especial de la revista Nature, involucró a más de 150 investigadores de 22 instituciones, co-liderado por equipos de la Universidad de Princeton, el Baylor College of Medicine y el Allen Institute for Brain Science.
El proyecto fue financiado principalmente por la Oficina del Director de Inteligencia Nacional de EE. UU. y los Institutos Nacionales de Salud (NIH). Los NIH consideran este trabajo como fundamental para el futuro de la salud, la enfermedad y los trastornos. El interés de la oficina de inteligencia radica en “la ingeniería inversa de los algoritmos del cerebro” para su uso en el aprendizaje automático avanzado, destacando la eficiencia superior del cerebro para tomar decisiones complejas con datos limitados en comparación con las computadoras. Este mapa representa un nuevo enfoque para estudiar cómo el cerebro logra esta eficiencia.
El núcleo de la investigación implicó la construcción de un “conectoma”, una vasta red de circuitos neuronales. Andreas Tolias, co-líder del proyecto, explicó que el mapa permite a los investigadores “ver el mundo, tener sentimientos, tomar decisiones”. Los investigadores desentrañaron digitalmente decenas de miles de neuronas individuales, rastrearon sus sistemas ramificados y las reconstruyeron en una red compleja. El mapa resultante abarca más de medio billón de conexiones dentro de un solo milímetro cúbico de tejido cerebral, incluida la corteza visual primaria.
Un aspecto clave de la investigación fue la integración tanto de la estructura como de la función. Tolias señaló que los datos “juntaron, en un solo experimento, tanto la estructura como la función”. Los investigadores mostraron a los ratones clips de video cortos mientras monitoreaban su actividad cerebral utilizando un sofisticado sistema de imágenes. Esto les permitió rastrear los patrones de actividad cerebral midiendo la presencia de iones de calcio, lo que indica el flujo de información, y correlacionar esta actividad con las células subyacentes y sus conexiones.
Para recopilar los datos, los ratones se mantuvieron despiertos y visualmente estimulados. Corrieron en una cinta rodante mientras veían escenas dinámicas de 10 segundos de películas y deportes extremos. Luego, los cerebros de los ratones se cortaron en aproximadamente 28,000 capas delgadas y se utilizó la microscopía electrónica para obtener imágenes de cada corte. Estas imágenes se reconstruyeron en un compuesto.
La inteligencia artificial jugó un papel crucial en el proceso. El equipo de Seung empleó la IA para rastrear los contornos de cada neurona a través de las miles de cortes, un proceso llamado segmentación. Esta segmentación generada por IA fue luego validada, o revisada, por humanos. La visión unificada resultante del conectoma y su actividad ya ha llevado a hallazgos sorprendentes sobre las relaciones y preferencias neuronales, influyendo en las funciones de orden superior.
Los investigadores también han creado modelos digitales de alta fidelidad del cerebro del ratón, conocidos como gemelo digital, para explorar nuevas preguntas y desarrollar hipótesis. Thomas Macrina, que trabajó en el proyecto, señaló que los métodos se han vuelto mucho más rápidos y eficientes, lo que ha llevado a la cartografía de conectomas en varias especies, desde mosquitos hasta macacos. Esto promete acelerar los descubrimientos en neurociencia.
La ambición del proyecto se hace eco de un desafío planteado por Francis Crick en 1979, quien sugirió que los innovadores tecnológicos en neurociencia deberían centrarse en objetivos alcanzables. Seung traza un paralelismo entre el proyecto del conectoma y el Proyecto Genoma Humano, destacando el impacto transformador de este último en la genómica. El conectoma, dice, “es el comienzo de la transformación digital de la ciencia del cerebro”, que ofrece un acceso rápido a la información que antes requería una extensa investigación.
Sin embargo, el conectoma no es la imagen completa. Tolias enfatiza que, si bien la comprensión estructural detallada es esencial para comprender la enfermedad, abordar preguntas complejas sobre la atención y la cognición requiere una comprensión más profunda del “software” del cerebro. El proyecto se basa en esfuerzos anteriores, incluidos los conectomas completos del gusano nematodo C. elegans y la mosca de la fruta, lo que demuestra el valor de comenzar poco a poco y escalar.
El mapa del cerebro del ratón representa solo una fracción de un conectoma completo del ratón. El salto a un conectoma humano completo requerirá importantes recursos e ingenio. El éxito del proyecto, sin embargo, ha demostrado el valor de la cartografía del conectoma. J. Alexander Bae, que trabajó en el proyecto, recuerda el escepticismo que enfrentaron inicialmente, destacando la naturaleza audaz de rastrear cientos de miles de células y ensamblarlas en una reconstrucción 3D.
El éxito del proyecto ha posicionado la conectómica para un rápido crecimiento. Seung cree que está “abriendo la puerta a una nueva era de simulaciones cerebrales realistas”. Esto plantea profundas preguntas sobre el potencial de simular un cerebro humano y la posibilidad de la conciencia en tal simulación. El artículo insignia, “Conectómica funcional que abarca múltiples áreas de la corteza visual del ratón”, de The MICrONS Consortium, aparece en un número especial de Nature. El trabajo fue apoyado por varias fuentes de financiación, incluida la Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), los Institutos Nacionales de Salud (NIH), la National Science Foundation y fundaciones privadas.
Después de nueve años, investigadores mapearon una porción 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 comprensión de la función cerebral normal y trastornos neurológicos como el autismo y la esquizofrenia, además de inspirar nuevas técnicas de aprendizaje automático. Este logro monumental, comparado con el Proyecto Genoma Humano, marca una transformación digital de la neurociencia, abriendo puertas a simulaciones cerebrales realistas y planteando profundas preguntas sobre la conciencia, un comienzo que podría revolucionar nuestra comprensión de la mente.