Más de 100 científicos arman el mapa más grande del cerebro humano: qué encontraron

El equipo de investigación registró la actividad celular y mapeó la estructura en un milímetro cúbico del cerebro de un ratón. Esto representa menos del uno por ciento de su volumen total.

Un grupo de científicos logró elaborar un mapa del cerebro sin precedentes. 

C y Salud

El cerebro humano es un órgano tan complejo que, hasta hoy, los científicos tienen dificultades para comprenderlo completamente. Un solo fragmento de tejido cerebral, del tamaño de un grano de arena, puede contener cientos de miles de células interconectadas por kilómetros de filamentos.

En 1979, Francis Crick, ganador del premio Nobel, llegó a la conclusión de que la anatomía y la actividad de un milímetro cúbico de materia cerebral superarían para siempre nuestra capacidad de entendimiento. “Es inútil pedir lo imposible”, escribió Crick.

Sin embargo, 46 años después, un equipo compuesto por más de 100 científicos logró realizar lo que muchos consideraban inalcanzable: registraron la actividad celular y mapearon la estructura de un milímetro cúbico del cerebro de un ratón, menos del uno por ciento de su volumen total. Para llevar a cabo esta hazaña, los investigadores recopilaron datos equivalentes a 22 años de video en alta definición de forma continua.

Científicos avanzan en un mapeo cerebral histórico.

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Un avance histórico en la ciencia

“Esto es un hito”, expresó Davi Bock, neurocientífico de la Universidad de Vermont, quien no participó en el estudio publicado en la revista Nature. Bock destacó que los avances alcanzados para mapear un milímetro cúbico del cerebro eran prometedores para un nuevo reto: mapear la totalidad de las conexiones cerebrales en el cerebro de un ratón. “Es totalmente factible, y creo que vale la pena intentarlo”, agregó.

Más de 130 años después de que el neurocientífico español Santiago Ramón y Cajal observó por primera vez las neuronas individuales al microscopio, los científicos han desentrañado muchos detalles sobre cómo las neuronas envían señales a través de largas extensiones llamadas axones.

Cada axón se conecta con las pequeñas ramificaciones, llamadas dendritas, de otras neuronas. Algunas neuronas excitan a las vecinas, generando picos de voltaje; otras, en cambio, las inhiben.

El pensamiento humano parece emerger de esta dinámica de excitación e inhibición, pero su funcionamiento ha permanecido como un enigma, en parte porque los investigadores solo han podido estudiar unas pocas neuronas a la vez.

Cartografiar cerebros completos

En las últimas décadas, los avances tecnológicos han permitido que los científicos cartografíen cerebros completos. En 1986, investigadores británicos lograron mapear los circuitos de un pequeño gusano con solo 302 neuronas. Posteriormente, los investigadores ampliaron su enfoque, creando mapas de cerebros más grandes, como el de una mosca, con 140.000 neuronas.

En 2016, el gobierno de Estados Unidos inició un proyecto de 100 millones de dólares con el fin de escanear un milímetro cúbico del cerebro de un ratón. Este esfuerzo, denominado MICrONS (por sus siglas en inglés, Machine Intelligence from Cortical Networks), fue liderado por científicos del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, la Universidad de Princeton y el Baylor College of Medicine.

El equipo se centró en una parte del cerebro del ratón encargada de procesar la información visual. Durante la primera fase del proyecto, se registró la actividad neuronal en esta región mientras se mostraban al ratón videos de distintos paisajes.

En la siguiente etapa, los investigadores diseccionaron el cerebro del ratón, rociaron el milímetro cúbico con productos químicos para endurecerlo y luego lo cortaron en 28.000 láminas finas, capturando una imagen de cada una. Los ordenadores fueron entrenados para reconocer los contornos de las células en cada corte y luego reconstruir las imágenes en una forma tridimensional. En total, se registraron 200.000 neuronas y otros tipos de células, junto con 523 millones de conexiones neuronales.

Qué dijeron los científicos

Para Nuno da Costa, biólogo del Instituto Allen y uno de los líderes del proyecto, ver cómo las células tomaban forma en las pantallas fue impactante. “Estas neuronas son absolutamente impresionantes, me produce placer”, comentó da Costa.

Con la intención de comprender cómo funcionaba esta red neuronal, los investigadores analizaron la actividad registrada durante los videos mostrados al ratón.

“Imagina que llegas a una fiesta con 80.000 personas, y puedes escuchar todas las conversaciones, pero no sabes quién habla con quién”, explicó da Costa. “Ahora imagina que puedes saber quién habla con quién, pero no tienes ni idea de lo que dicen. Si tienes ambas cosas, puedes entender mejor lo que ocurre en la fiesta”.

A través del análisis de los datos, los científicos descubrieron patrones en el cableado neuronal que no se habían observado antes. Identificaron diferentes tipos de neuronas inhibitorias que se conectaban solo con ciertos tipos de neuronas.

“Cuando te adentras en el estudio del cerebro, parece algo desesperante: hay tantas conexiones y tanta complejidad”, afirmó Mariela Petkova, biofísica de Harvard que no participó en el proyecto MICrONS. “Encontrar reglas de conexión es una victoria. El cerebro es mucho menos desordenado de lo que se pensaba”.

Día mundial del cerebro.

El desafío de mapear un cerebro completo

Muchos de los investigadores involucrados en MICrONS están ahora trabajando en un proyecto aún más ambicioso: mapear el cerebro completo de un ratón. Con un volumen de 500 milímetros cúbicos, el cerebro entero de un ratón tomaría décadas o incluso siglos para mapearlo con los métodos actuales. Los científicos necesitarán encontrar nuevas estrategias para completar el proyecto en una década.

“Lo que han logrado hasta ahora es heroico”, afirmó Gregory Jefferis, neurocientífico de la Universidad de Cambridge que no participó en el proyecto. “Pero aún tenemos una gran montaña que escalar”.

Forrest Collman, miembro del proyecto MICrONS en el Instituto Allen, se mostró optimista. Recientemente, él y su equipo descubrieron cómo realizar secciones microscópicas de todo el cerebro de un ratón. “Algunas de estas barreras están empezando a caer”, comentó Collman.

Sin embargo, el cerebro humano, que es aproximadamente mil veces más grande que el de un ratón, representa un reto mucho mayor. “El cerebro humano parece estar fuera del alcance de lo posible en este momento”, reconoció Collman. “No vamos a llegar allí pronto”.

Por su parte, Sebastian Seung, neurocientífico de Princeton y miembro de MICrONS, señaló que aunque los cerebros de ratón y humano son lo suficientemente similares como para ofrecer pistas importantes, el conocimiento adquirido podría ayudar en el desarrollo de medicamentos para tratar trastornos psicológicos de manera más precisa, sin efectos secundarios adversos.

“Nuestros métodos actuales para manipular el sistema nervioso son extremadamente rudimentarios”, expresó Seung. “Introducimos un fármaco y afecta todo el sistema. Poder llegar y manipular un tipo específico de célula sería una verdadera precisión”.

Financiación y futuro incierto

El esfuerzo por mapear el cerebro de un ratón está siendo financiado en parte por el programa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud. Sin embargo, el futuro de este proyecto es incierto. El año pasado, el Congreso de Estados Unidos recortó el presupuesto del programa BRAIN en un 40%, y el mes pasado, el presidente Donald Trump firmó una ley que redujo aún más el apoyo en un 20% adicional.

Bock subrayó que proyectos como MICrONS requieren muchos años para materializarse, en parte porque involucran el desarrollo de nuevas tecnologías y software.

“Necesitamos coherencia y previsibilidad en la financiación de la ciencia para alcanzar estos objetivos a largo plazo”, concluyó Bock.