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Por primera vez, científicos de
Harvard detallaron cómo es un milímetro cúbico de cerebro
Los enigmas del cerebro todavía siguen asombrando a los científicos
en el órgano más misterioso y menos estudiado del cuerpo humano.
Pero cada día dan un paso más y hallan una respuesta nueva.
Científicos de la Universidad de Harvard, EE. UU., han podido
reconstruir un diagrama de cableado de una parte del cerebro humano
con un detalle sin precedentes, revelando nuevas pistas y
complejidades en lo que muchos consideran el objeto más sofisticado
del universo conocido.
Un equipo de profesores se asociaron con expertos en aprendizaje
automático de Google para mapear los circuitos neuronales, las
conexiones, las células de soporte y el suministro de sangre en una
mota de tejido sano extraído de la corteza de una mujer de 45 años
que había sido operada por epilepsia. El estudio, publicado en la
revista Science, es el resultado de una investigación de casi 10
años.
La parte obtenida del cerebro estudiada por investigadores de
Harvard y Google equivalía a apenas un milímetro cúbico de tejido,
lo cual no parece mucho material.
Las imágenes de microscopio electrónico de más de 5.000 cortes de la
muestra contiene 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos
y 150 millones de sinapsis (conexiones cerebrales), equivalen a
1.400 terabytes de datos. Para tomar dimensión de la magnitud de la
información, un terabyte equivale a 1000 gigabytes.
“El objetivo era obtener una vista de alta resolución de esta pieza
de biología más misteriosa que cada uno de nosotros lleva sobre
nuestros hombros. La razón por la que no lo hemos hecho antes es que
es muy desafiante. Realmente fue enormemente difícil hacer esto”,
dijo Jeff Lichtman, profesor de biología molecular y celular de
Harvard en la publicación oficial de la universidad, The Harvard
Gazette.
Después de cortar el tejido en obleas, menos de 1000 veces más
delgadas que el ancho
de un cabello humano, los
investigadores tomaron imágenes de microscopio electrónico de cada
una de éstas para capturar detalles de la
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estructura del cerebro hasta la
nanoescala, o milésimas de milímetro.
Litchman contó con la ayuda de los otros tres coautores del artículo: el ex
postdoctorado de Harvard Alexander Shapson-Coe, el investigador Michał
Januszewski de Google Research y el postdoctorado de Harvard Daniel Berger, que
posibilitaron luego que un algoritmo de aprendizaje automático trazara las rutas
de las neuronas y otras células a través de las secciones individuales, un
proceso minucioso que a los humanos les habría llevado años.
“Encontramos muchas cosas en este conjunto de datos que no están en los libros
de texto. No entendemos esas cosas, pero puedo decirles que sugieren que hay un
abismo entre lo que ya sabemos y lo que necesitamos saber”, sostuvo Lichtman,
recientemente nombrado decano de ciencias en esa casa de estudios.
El estudio publicado en la revista Science y fruto de casi una década de
colaboración con científicos de Google Research, combina las imágenes de
microscopía electrónica de Lichtman con algoritmos de inteligencia artificial
para codificar por colores y reconstruir el cableado extremadamente complejo de
los cerebros de los mamíferos.
En una observación asombrosa para la ciencia, las llamadas neuronas piramidales,
que tienen grandes ramas llamadas dendritas que sobresalen de sus bases,
mostraron una curiosa simetría, algunas mirando hacia adelante y otras hacia
atrás. El estudio develó otras imágenes como verticilos apretados de axones, las
fibras delgadas que transportan señales de una célula cerebral a otra, como si
se hubieran quedado atascados en una rotonda antes de identificar la salida
correcta y seguir su camino.
El mapa también reveló casos raros en los que las neuronas establecieron
conexiones extremadamente fuertes con otras células. En todo el tejido cerebral,
más del 96% de los axones hicieron solo una conexión con una célula objetivo, y
el 3% hizo dos conexiones. Pero unos pocos hicieron decenas de
conexiones, y en un caso más de 50, con
una celda cercana.
El objetivo final de la investigación, apoyada por la Iniciativa BRAIN de los
Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. (NIH, por sus siglas en inglés), es
crear un mapa completo y de alta resolución del cableado neuronal de un ratón,
lo que implicaría alrededor de 1000 veces la cantidad de datos que el grupo
acaba de producir.
“Un terabyte es, para la mayoría de las personas, gigantesco, pero un fragmento
de un cerebro humano (sólo un minúsculo y diminuto fragmento de cerebro humano)
contiene miles de terabytes”,
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sostuvo Lichtman cuyo campo de estudio es
la conectómica, rama científica que busca crear catálogos completos de la
estructura del cerebro, hasta las células individuales.
Estos mapas completos desbloquearían conocimientos sobre la función y las
enfermedades cerebrales, sobre las cuales los científicos todavía saben muy
poco.
El último mapa descripto por los científicos en este estudio contiene detalles
nunca antes vistos de la estructura del cerebro, incluido un raro pero poderoso
conjunto de axones conectados por hasta 50 sinapsis. El equipo también notó como
una pequeña cantidad de axones formaban extensos verticilos en el tejido
cerebral. Debido a que la muestra fue tomada de un paciente con epilepsia, los
investigadores no saben si estas formaciones son patológicas o simplemente
raras.
“Creo que estas poderosas conexiones pueden ser parte del sistema de información
aprendida y de cómo se ve el aprendizaje en el cerebro”, dijo Lichtman que
especuló que conexiones tan fuertes como las halladas podrían ayudar a explicar
cómo comportamientos bien aprendidos, como quitar el pie del acelerador y
aplicar el freno en un semáforo en rojo, casi no requieren pensamiento después
de suficiente práctica.
“Dada la enorme inversión realizada en este proyecto, era importante presentar
los resultados de manera que cualquiera pueda beneficiarse de ellos”, dijo Viren
Jain, colaborador de Google que puso a disposición parte del mapa online de
forma gratuita.
El próximo paso de los científicos será una colaboración entre varias
universidades y Google para reconstruir el cableado de un cerebro de ratón
completo, lo que podría arrojar luz sobre los circuitos cerebrales que hacen que
este animal se mueva hacia el queso suizo.
“Se obtendría una idea de cómo la voluntad humana se guía por la experiencia
sensorial. Hay oportunidades realmente maravillosas, si tienes un cerebro de
ratón completo, incluso para comprender el libre albedrío”, concluyó Lichtman
que sueña en un futuro con una tarea más compleja que hoy parece imposible:
mapear un cerebro humano.
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