Diagrama de cableado del cerebro

Analizando axones: Los científicos están desarrollando nuevas maneras de estudiar la intrincada red de neuronas cerebrales. Esta imagen muestra una reconstrucción parcial de la retina de un conejo. Las proyecciones neurales, que conectan neurona con neurona, están señaladas con colores diferentes. Créditos: Kevin Briggman, Moritz Helmstaedter, Winfried Denk Viren Jaina, Joseph Murray, Srini Turaga, y Sebastian Seung.

Via axxon.com.ar descubrimos nuevas tecnologías, que permiten que los
científicos sigan el fino cableado cerebral con mayor exactitud que
antes, podrían generar pronto un diagrama
completo del cableado —incluyendo cada diminuta fibra y minúscula
conexión— de una porción del cerebro.

Llamada "conectómica" (conectomics en inglés)
la técnica que crearía estos mapas podría
revelar cómo realizan las redes neurales sus precisas funciones en el
cerebro, y podrían arrojar luz sobre trastornos que, segun se piensa,
son originados por un
cableado defectuoso, como el autismo y la esquizofrenia.

"El cerebro es, esencialmente, una computadora
que se cablea a sí misma durante el desarrollo y que puede cambiar este
cableado", dice Sebastian Seung,
un neurocientífico computacional del MIT. "Si tenemos un diagrama del
cableado del cerebro, podría ayudarnos a comprender cómo funciona". Por
ejemplo, previamente los científicos identificaron la parte del cerebro
del pájaro
cantor que era importante en la capacidad de las aves para generar
canciones. En última instancia, a Seung le gustaría desarrollar un
diagrama del cableado de
esta estructura para dilucidar las características que subyacerían esa
única capacidad.

En la actualidad sólo existe el diagrama del cableado de un organismo: el del gusano microscópico C. elegans. A pesar de contener sólo 302 neuronas, el
esfuerzo de levantar los planos del C. elegans llevó más de una década, en los '70. Ha sido un recurso de investigación inestimable y les valió un Premio
Nobel a sus creadores.

Con aproximadamente 100 mil millones de neuronas
y 100 billones de sinapsis en el cerebro humano, crear un mapa que
cubra incluso un trozo pequeño es una
tarea desalentadora. Usando métodos estándar, se necesitarían más o
menos tres mil millones de años / persona para generar el diagrama de
cableado de una
única columna cortical, una angosta unidad funcional de neuronas en la
corteza, estima Winfried Denk, neurocientífico en
el Max Planck Institute for Medical Research en Heidelberg, Alemania.

Denk, Seung, y sus colaboradores están desarrollando ahora nuevas
técnicas de imágenes sensibles y algoritmos de aprendizaje automatizado
para automatizar el
proceso de construcción. Ya han generado un diagrama parcial del
cableado de una parte de la retina de un conejo. Pero necesitarán hacer
que su técnica sea un
millón de veces más rápida para finalmente poder construir mapas más
grandes, como el de una columna cortical, en la esfera de la realidad.

Los esfuerzos previos de mapear el cableado del
cerebro se han concentrado en aspectos anatómicos más grandes, como las
gruesas zonas de cableado que
conectan las diferentes partes del cerebro, o sobre las rutas de
neuronas únicas, teñidas con un color especial para distinguirlas de su
intrincada multitud de
vecinas. Pero para comprender verdaderamente cómo una red neuronal
puede efectuar una particular función, los científicos necesitan de un
nuevo tipo de mapa.
"Un montón de propiedades de la función cerebral están a nivel de
circuito: la información es integrada, procesada, condensada", dice Elly Nedivi, neurocientífica del MIT que no está involucrada con la investigación. "Para
comprender qué significa, se necesita 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 el microscopio de electrones.
Empezando con un
pequeño bloque de tejido cerebral, los investigadores hacen rebotar
electrones desde la capa superior del bloque para generar una imagen
seccional cruzada de
las fibras nerviosas en esa tajada. Entonces quitan una rebanada muy
delgada —de 30 nanómetros— de la parte superior del bloque y repiten el
proceso. Los
científicos pasan a través de las imágenes, tajada a tajada, para
seguir el trayecto de cada fibra nerviosa. "Repítalo [el proceso] miles
de veces, y puede abrirse
camino a través de tal vez todo el cerebro de una mosca", dice Denk.

Esta película muestra la estructura de una parte de la retina del conejo llamada capa plexiforme interior, el trozo de tejido neural en la parte posterior del ojo que siente la luz y envía la información visual al cerebro. Las ramas largas y delgadas de las neuronas, o neuritas, están enredadas como espagueti. Una nueva técnica llamada rastreo serial de capa superior con microscopio de electrones fue utilizada para obtener una serie de imágenes seccionales cruzadas bidimensionales de la maraña, mostrada aquí en blanco y negro. La imagen en 3-D resultante fue analizada con los algoritmos de computadora desarrollados por los investigadores utilizando métodos de aprendizaje automatizado. Primero, el seguimiento de una única neurita es mostrado en verde. Luego, un subconjunto mayor de neuritas es mostrado en varios colores. El método computarizado de reconstrucción en 3-D está todavía en desarrollo y requiere la vigilancia de un operador humano para corregir los errores. El equipo que trabajó en este proyecto incluía a investigadores del Max Planck Institute for Medical Research (Kevin Briggman, Moritz Helmstaedter, y Winfried Denk), del MIT y del Howard Hughes Medical Institute (Viren Jaina, Joseph Murray, Srini Turaga, y Sebastian Seung).

Seung y Denk aspiran a acelerar dramáticamente el proceso de rastreo,
que le lleva semanas a un solo estudiante postgraduado, con los
algoritmos de
aprendizaje automatizado. Los investigadores usan datos de un diagrama
de cableado generado a mano para entrenar a una red neural artificial a
emular el
proceso humano de rastreo. Entonces pueden utilizar el algoritmo
resultante para analizar nuevos trozos de tejido cerebral. Hasta la
fecha, han sido capaces
acelerar el proceso de cien a mil veces.

Los investigadores presentaron sus conclusiones iniciales a una impresionada multitud en la reunión de la Society
for Neurosciences
en San Diego este mes. Mostraron la reconstrucción tridimensional de
parte de la retina de un conejo, llamada capa plexiforme interior,
que es un trozo de tejido neural en la parte posterior del ojo que
siente la luz y envía la información visual al cerebro. "Pero
necesitamos mejorar
10⁶ veces o más", dice Denk, que estima que
reduciría los tres mil millones de años / personas que lleva rastrear
una columna
cortical hasta aproximadamente dos años. "Tengo confianza en que al
final podremos hacerlo", dice. "Pero no sé cuánto tiempo nos llevará;
si tenemos suerte, tal
vez un año o algo así".

Antes, este mes, unos científicos de Harvard
describieron un nuevo método para rastrear neuronas en el cerebro vivo,
señalándolas con hasta cien colores
diferentes. "Estamos empezando a pensar que los diagramas de cableado
son fundamentales", dice Jeff Lichtman, uno de los investigadores que desarrollaron la técnica.

Los investigadores dicen que los dos enfoques serán posiblemente
complementarios, permitiendo que los científicos miren los circuitos
neurales desde
dimensiones diferentes. Al final, Seung aspira a generar mapas del
conectómico completo de una mosca, tanto como los diagramas parciales
del cableado de
interesantes locaciones en cerebros más grandes, como el hipocampo, el
bulbo olfativo, y la retina.

Exactamente cuánta luz arrojarán estos mapas
sobre el cerebro todavía es algo polémico. "Con sólo conocer la
información [del cableado] no nos llevará lejos si
no lo ponemos en el marco del procesamiento y transferencia de datos en
el cerebro", dice David van Essen,
neurocientífico de la Washington University, en St. Louis, y presidente
de la Society for Neurosciences. Seung y otros
finalmente esperan generar mapas que incorporen las propiedades
bioquímicas y fisiológicas de varias células en los diagramas de
cableado.

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti y Graciela Lorenzo Tillard