Traducido por el equipo de SOTT.net en español

Google ha ayudado a crear el mapa más detallado de las conexiones del cerebro humano. Revela una cantidad asombrosa de detalles, incluyendo patrones de conexiones entre neuronas, así como lo que puede ser un nuevo tipo de neurona.
single neuron
© Google/Lichtman Laboratory
Alrededor de 4000 fibras nerviosas se conectan a esta única neurona
El mapa del cerebro, disponible gratuitamente en Internet, incluye 50.000 células, todas ellas representadas en tres dimensiones. Están unidas entre sí por cientos de millones de zarcillos de araña, formando 130 millones de conexiones llamadas sinapsis. El conjunto de datos mide 1,4 petabytes, aproximadamente 700 veces la capacidad de almacenamiento de un ordenador moderno medio.

El conjunto de datos es tan grande que los investigadores no lo han estudiado en detalle, dice Viren Jain, de Google Research en Mountain View (California). Lo compara con el genoma humano, que sigue siendo explorado 20 años después de que se publicaran los primeros borradores.

Es la primera vez que se ve la estructura real de una parte tan grande del cerebro humano, dice Catherine Dulac, de la Universidad de Harvard, que no participó en el trabajo. "Hay algo un poco emotivo en ello".

Esta colosal iniciativa comenzó cuando un equipo dirigido por Jeff Lichtman, también de la Universidad de Harvard, obtuvo un pequeño trozo de cerebro de una mujer de 45 años con epilepsia resistente a los medicamentos. La mujer se sometió a una intervención quirúrgica para extirparle el hipocampo izquierdo, fuente de sus convulsiones. Para ello, los cirujanos tuvieron que extirpar parte del tejido cerebral sano que recubría el hipocampo.

Lichtman y su equipo sumergieron inmediatamente la muestra en conservantes y luego la tiñeron con metales pesados como el osmio, de modo que las membranas externas de cada célula eran visibles al microscopio electrónico. A continuación, la incrustaron en resina para endurecerla. Por último, la cortaron en rodajas de unos 30 nanómetros de grosor, es decir, una milésima parte del ancho de un cabello humano, y utilizaron un microscopio electrónico para obtener imágenes de cada rodaja.

En este punto, el equipo de Jain en Google tomó el relevo, ensamblando los cortes bidimensionales -lo que Jain denomina "una aproximación al cerebro en forma de fiambrera"- para formar un volumen tridimensional. Utilizaron el aprendizaje automático para reconstruir los zarcillos que unen una neurona con otra y etiquetaron los diferentes tipos de células.

Todo esto detalla sólo una pequeña fracción del cerebro. Jain afirma que su escala se entiende mejor si se piensa en un escáner de resonancia magnética funcional (fMRI), utilizado para mostrar la actividad en diferentes regiones del cerebro. "Todo el conjunto de datos que produjimos es un milímetro cúbico, que suele ser un píxel en una resonancia magnética", dice. "Es interesante descubrir todo lo que hay bajo el capó de un píxel de una resonancia magnética".

Para Dulac, el conjunto de datos es "un tesoro para los próximos años". El equipo ya ha hecho nuevos descubrimientos sobre cómo está conectado nuestro cerebro: por ejemplo, había una marcada discrepancia en el número de conexiones entre neuronas.

Normalmente, cuando un zarcillo de una neurona pasaba cerca de otra, formaba una sola sinapsis, o más raramente de dos a cuatro. Pero también había algunos zarcillos que formaban hasta 20 sinapsis en una neurona objetivo, lo que significa que este zarcillo por sí solo probablemente sería capaz de provocar el disparo de esa neurona.

No está claro por qué, pero Lichtman especula que las conexiones multisinapsis subyacen a los comportamientos aprendidos. "Hay muchas cosas que el cerebro hace por cognición, pensando y descifrando y tomando una decisión, y hay muchas cosas que se hacen automáticamente que no podrían haber surgido genéticamente", dice, como frenar cuando se ve un semáforo en rojo. Las conexiones superfuertes permitirían que un mensaje pasara rápidamente por la red.

El equipo también encontró misteriosos pares de neuronas en lo más profundo del córtex que no se habían observado antes. "Las dos células apuntaban exactamente en la dirección opuesta en el mismo eje", dice Lichtman. Nadie sabe por qué.

La cartografía cerebral, o conectómica, ha recorrido un largo camino desde su primer avance en la década de 1980, cuando los investigadores cartografiaron las 302 neuronas del sistema nervioso de un gusano llamado Caenorhabditis elegans. Jain, Dulac y Lichtman formaron parte de un grupo que, en 2020, abogó por cartografiar todo el cerebro de un ratón con un nivel de detalle similar.

"Un cerebro completo de ratón es sólo 1000 veces más grande que esto, un exabyte en lugar de un petabyte", dice Lichtman. "Está en una escala en la que probablemente podremos hacerlo dentro de una década, sospecho". Dulac quiere ver cómo el córtex se relaciona con otras partes del cerebro, y el mapeo del cerebro del ratón lo revelaría.

Para cartografiar todo el cerebro humano se necesitaría un conjunto de datos 1.000 veces mayor, un zettabyte, que, según Lichtman, es "comparable a la cantidad de contenido digital generado en un año por el planeta Tierra".

Pero hacerlo podría no valer la pena. "Puede que descubramos que gran parte es información de codificación que llegó a través de la experiencia y, por tanto, cada cerebro será algo diferente de los demás", dice. Sin entender cómo se almacena la información, los datos serían un galimatías, dice.

Un beneficio más inmediato sería explorar cómo difiere el mapa celular en personas con enfermedades mentales, dice Dulac. "Podrían hacerse estudios similares en pacientes que también tienen alguna enfermedad mental", dice, para arrojar más luz sobre cómo se manifiestan afecciones como la esquizofrenia.

Referencia de la revista: bioRxiv, DOI: 10.1101/2021.05.29.446289