El cerebro humano es una compleja red de ‘cables’ que proceden de casi 100 mil millones de neuronas, todas las cuales se comunican a través de billones de uniones llamadas sinapsis.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard, en colaboración con Google, han creado la reconstrucción cerebral en 3D más grande hasta la fecha. Se trata de un trabajo que ha mostrado las profundidades de un fragmento de un milímetro cúbico de tejido cerebral, que se traduce en 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos y en 150 millones de sinapsis. En términos informáticos equivale a 1.400 terabytes de datos.

“La palabra ‘fragmento’ es irónica”, señaló Jeff Lichtman, director de esta investigación y decano de ciencias de Harvard. “Un terabyte es, para la mayoría de las personas, gigantesco, pero un fragmento minúsculo de un cerebro humano sigue siendo el equivalente de miles de terabytes”.

Estos resultados, publicados en la revista Science, son el último desarrollo de una colaboración de más de una década entre el laboratorio Lichtman de Harvard y los científicos de Google Research, que combina las imágenes de microscopía electrónica de Lichtman con algoritmos de inteligencia artificial (IA) para codificar por colores y reconstruir las conexiones complejas de los cerebros de los mamíferos, el llamado conectoma.

Este proyecto está impulsado por la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos y tiene como objetivo crear un mapa completo y de alta resolución de las conexiones neuronales de ratones. Esto implicaría obtener alrededor de 1.000 veces la cantidad de datos que han conseguido en la actualidad.

El cerebro del ratón es mucho más pequeño que el de un ser humano, pero cuando se observan neuronas individuales, vesículas sinápticas y células gliales, “no se puede notar la diferencia”, señaló Lichtman. “A nivel de células y sinapsis, todos los cerebros de los mamíferos son básicamente iguales”.

Barreras para obtener tejido cerebral humano

Una barrera fundamental para la obtención de circuitos neuronales humanos ha sido el acceso a tejido cerebral humano de alta calidad. De acuerdo con los investigadores las biopsias de órganos proporcionan información valiosa sobre muchos sistemas humanos, pero rara vez se realizan biopsias en el cerebro, excepto para examinar o extirpar masas neoplásicas, por lo que la mayoría de ellas son problemáticas para la investigación de la estructura normal del cerebro humano.

Una estrategia previa ha sido emplear organoides cerebrales derivados de células humanas, aunque actualmente no logran replicar la arquitectura del tejido cerebral al presentar limitaciones como la ausencia de capas corticales. Una alternativa directa consistiría en cartografiar células y circuitos a partir de muestras humanas obtenidas durante intervenciones neuroquirúrgicas para tratar afecciones neurológicas, donde se descartan secciones de la corteza debido a su obstrucción al acceso a áreas patológicas. “Consideramos que el tejido cerebral humano resultante de estos procedimientos podría ser aprovechado para investigar los circuitos neuronales normales y, en última instancia, alterados”, señalan los investigadores en su estudio.

Detalles nunca antes vistos

El mapa actual presenta información que no se había podido comprobar hasta ahora, como un conjunto de axones conectados por hasta 50 sinapsis. Los investigadores también observaron peculiaridades en el tejido cerebral analizado, como una pequeña cantidad de axones que formaban extensos verticilos. Sin embargo, esto se ha visto en muestras de un paciente con epilepsia, por lo que los investigadores todavía no saben si estas formaciones son patológicas o simplemente extrañezas.

El campo de trabajo de Lichtman es la conectómica, 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. Junto con los algoritmos de Google han desarrollado y publicado un conjunto de herramientas, que están disponibles de manera pública, para que otros científicos puedan examinar el conectoma y, si fuera necesario, incluir correcciones.


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