¿Cómo funciona el cerebro humano? Según la publicación reciente de El Confidencial, la revista Science acaba de publicar el mapa del cerebro más avanzado que tenemos hasta ahora, el único que muestra cada neurona y cómo están conectadas entre sí. El avance es un logro histórico para la neurociencia, aunque sea el cerebro de la larva de la mosca de la fruta (Drosophila), un organismo que se utiliza como modelo para estudiar cuestiones básicas en biología. Tras más de una década de trabajo, esta investigación muestra las 3.016 neuronas de este órgano y una espectacular cantidad de interacciones entre ellas: 548.000 sinapsis. Los científicos creen que este primer conectoma de un cerebro realmente complejo puede revolucionar otros campos, como el de la informática, por su influencia en las redes neuronales artificiales, y permitir avances frente a las enfermedades neurodegenerativas.
Según este mismo artículo, “es un proyecto heroico, que nos ha llevado una década”, explica en declaraciones a Teknautas el español Albert Cardona, de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), que ha dirigido el proyecto.
Los comienzos
A partir de centenares de miles de imágenes sueltas de microscopía electrónica este investigador calculó que tardaría en mapear el cerebro al completo unos 50 años de trabajo. “Llegamos a hacer 600 neuronas del cerebro para los sistemas de memoria, olfativo, visual y de temperatura; pero quedaban más de 2.000 neuronas en las que nadie estaba interesado, así que nos tocó a mí y a mi esposa”, explica.
El mapa de sólo un 1 milímetro cúbico del cerebro ocupa 700.000 millones de páginas. Su mujer es la croata Marta Zlatic, que pertenece al mismo centro de investigación y firma el trabajo junto a él y a otros investigadores británicos y estadounidenses, con un papel destacado para la Johns Hopkins University (EEUU). “Los estudiantes de posgrado, junto a nosotros, son los que han hecho gran parte de este trabajo delicado, de mucha gente y a lo largo de mucho tiempo, para llenar el cerebro de todas las reconstrucciones de cada una de las neuronas, que se han hecho a mano con la ayuda de programas de software”, comenta.
¿En qué consiste todo este trabajo?
Remontándonos al principio, ¿cómo funciona el cerebro humano? “hay que diseccionar el sistema nervioso entero, se fija, se tiñe con metales pesados, se deshidrata y se pone en resina, de forma que acaba siendo tan duro como una piedra y se puede cortar en rodajas”. En este caso, miles de cortes que solo miden 40 nanómetros (un nanómetro es un millón de milímetros) y que se analizan con un avanzado microscopio electrónico de transmisión, en el que los electrones van dibujando las imágenes que describen todas las estructuras celulares.
Sin embargo, la clave está en unir esas “rodajas de neuronas” por medio de un software que permite reconstruir el cerebro de Drosophila “como si fuera Google Maps, pero navegando en 3D”. De esta forma, pueden seguir todo el árbol neuronal, anotando todas y cada una de las conexiones de cada célula del cerebro. En cada neurona invierten entre ocho y 16 horas de trabajo. El problema es que había más de 3.000 y después tenían que describir cómo se transmiten las señales nerviosas, explicar el funcionamiento de todo el cableado, tal y como aparece en el artículo de Science.
Según el rotativo, hasta ahora solo se había realizado tres conectomas que corresponden a sistemas nerviosos compuestos por apenas unos cientos de neuronas y muy pocas sinapsis: el nematodo Caenorhabditis elegans. Sin embargo, esta es la primera vez que se mapea al completo un verdadero cerebro. Se identifican las características que atribuimos a este órgano, ya que tiene entradas sensoriales directas de visión y de olfato, cuenta con memoria asociativa y permite al animal moverse en función de sus intereses.
Similitudes con las redes neuronales artificiales.
¿Y qué revela este mapa una vez elaborado? Varias cosas llaman la atención de los neurobiólogos. Por ejemplo, las estructuras cerebrales relacionadas con el sistema de memoria asociativa. “Es lo que nos permite asociar, por ejemplo, un olor y el concepto de comida nutritiva”, explica el científico de Cambridge. Pues bien, ese sistema había sido descrito de forma aislada por el propio Cardona y otros colegas, pero ahora que han analizado todo el conjunto de neuronas que interactúan con él, se dan cuenta de que es muy recurrente. “Hay muchos bucles de neuronas que recogen señales de ese sistema de memoria asociativa, van a otro sitio del cerebro y luego vuelven”, comentan.
Lo curioso es que esto está muy relacionado con el desarrollo de la inteligencia artificial. Las redes neuronales artificiales, que ya están presentes en muchos dispositivos electrónicos, como los móviles, tienen arquitecturas como las llamadas redes neuronales recurrentes con bucles similares que las hacen más potentes. Los informáticos logran mayor capacidad de computación con redes mucho más pequeñas. Lo mismo ocurre con las llamadas skip connections, otra forma de aumentar la capacidad de computación que consiste en conectar distintas capas por medio de saltos. Pues bien, el cerebro de esta larva de mosca también conecta así sus neuronas. “Tiene dos de los trucos que los informáticos se han inventado para incrementar la capacidad de computación”, bucles y saltos. Está claro que “la biología, a través de la evolución, ha encontrado una estructura eficiente”, apunta el científico español.
Aplicaciones
Por lo tanto, las aplicaciones de este trabajo en el mundo de la computación pueden ser muy relevantes. “Supone entender cómo puedes hacer un sistema autónomo. La integración de estímulos muy diferentes, un sistema de memoria de asociaciones buenas y malas, y coordinar un sistema motor”, explica Cardona. A la hora de resolver la toma de decisiones por parte de sistemas de inteligencia artificial, parace que todas las respuestas pueden estar en el cerebro. Es allí donde las neuronas se ponen de acuerdo para decidir cómo actuar.
La otra gran aplicación de este conocimiento está en las enfermedades neurodegenerativas. La mosca ofrece las herramientas genéticas para manipular neuronas. Se cree que existe la posibilidad de modificar células concretas que permitan reproducir el tipo de errores característicos del párkinson o del alzhéimer. A partir de ahora se abren nuevas posibilidades y, de hecho, ya hay un proyecto en marcha. Se trata de la Universidad de Carmbridge, donde intentan comparar el cerebro afectado por párkinson y un cerebro sano. “Estamos hablando de una larva de mosca, pero es un sistema experimental donde puedes modificar estas cosas y observar la biología fundamental que te lleva a entender modificaciones de circuitos neuronales”. Por el momento, estamos muy lejos de poder replicar este mapa con el cerebro humano.
Conclusiones
Los científicos creen que, a la misma resolución y dada la complejidad del órgano humano, aunque pudiera hacerse hoy un día apenas habría sistemas de almacenamiento que pudieran aglutinar tanta información. Entre la larva de la mosca y nosotros aún hay otros muchos cerebros por explorar que pueden ofrecer grandes respuestas. Uno de los más interesantes es el de ratón, cuyo proyecto de mapeado ya han puesto en marcha otros investigadores. Aunque es un millón de veces más grande que el de Drosophila, la tecnología va recortando tiempos y algunos calculan que puede estar listo en la próxima década.
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