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Por primera vez, científicos de Harvard detallaron cómo es un milímetro cúbico de cerebro

Brain Science map
La imagen de los expertos de Harvard muestra seis capas de neuronas excitadoras codificadas por colores según su profundidad (gentileza Google Research y Lichtman Lab)

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, EEUU, 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.

Cómo es un milímetro cúbico de cerebro

Un cerebro humano contra una pared gris - (Imagen Ilustrativa Infobae)
El equipo de Harvard ayudó a crear la reconstrucción cerebral en 3D más grande hasta la fecha (Imagen Ilustrativa Infobae)

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.

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Un algoritmo de aprendizaje automático trazó los caminos de las neuronas y otras células (ilustración: D. Berger/Google Research & Lichtman Lab – Universidad de Harvard) (Ingrassia, Victor Edgardo/)

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 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.

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Jeff Lichtman, profesor de biología molecular y celular en Harvard, encabezó la investigación innovadora (Kris Snibbe/Fotógrafo Harvard) (Ingrassia, Victor Edgardo/)

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.

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Los investigadores especularon que las fuertes conexiones entre neuronas podrían explicar comportamientos bien aprendidos (D. Berger/Google Research & Lichtman Lab – Universidad de Harvard) (Ingrassia, Victor Edgardo/)

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 EEUU (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”, 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.

(Imagen Ilustrativa Infobae)
Los algoritmos de inteligencia artificial permitieron la reconstrucción y el mapeo del tejido cerebral en tres dimensiones (Imagen Ilustrativa Infobae)

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 una tarea más compleja que hoy parece imposible: mapear un cerebro humano.

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