Traducido por el equipo de SOTT.net

Utilizando microscopios avanzados que captan la anatomía y la actividad de las células cerebrales, se ha cartografiado y renderizado una porción del cerebro de un ratón en un atlas 3D que crea nuevas posibilidades para la neurociencia.
brain cells
© Allen InstituteEsta reconstrucción muestra más de 1.000 de las 120.000 células cerebrales captadas por el proyecto MICRONS, descrito más adelante. Cada neurona reconstruida es de un color aleatorio diferente, y un subconjunto de las neuronas se han representado como brillando de diferentes maneras, para representar el hecho de que el conjunto de datos incluye grabaciones funcionales de algunas células.
El cerebro de los mamíferos es una compleja red de miles de millones de células conectadas a través de billones de nodos que los neurocientíficos aún no han conseguido descifrar. Ahora, los investigadores han cartografiado las numerosas células y conexiones cerebrales de una porción del cerebro de ratón de tan sólo un milímetro cúbico, aproximadamente el tamaño de un grano de arena.

«Un milímetro parece pequeño, pero dentro de ese milímetro hay kilómetros de cableado», explica a Live Science Jacob Reimer, neurocientífico del Baylor College of Medicine. Reimer es el autor principal de uno de los 10 nuevos estudios en los que los científicos detallan cómo construyeron este extraordinario mapa cerebral.

Reimer forma parte del consorcio MICrONS, un equipo de más de 150 investigadores de múltiples instituciones estadounidenses. En una serie de artículos publicados en la revista Nature el 9 de abril, los investigadores no sólo desvelaron el mapa neuronal tridimensional, denominado «conectoma», sino que también describieron cómo utilizaron este conjunto de datos para explorar el funcionamiento del cerebro.

«Este método salva una brecha fundamental en la neurociencia entre la observación de lo que hacen las neuronas y la comprensión de cómo están conectadas», dijo a Live Science Lilianne Mujica-Parodi, neurocientífica de la Universidad de Stony Brook que no participó en el trabajo, en un correo electrónico.

Cómo se trazó el mapa cerebral

Los investigadores construyeron el conectoma utilizando un ratón de laboratorio vivo que fue modificado genéticamente para que sus neuronas brillaran cuando se excitaban. Esto permitió a los investigadores detectar las células cerebrales utilizando un microscopio mientras el ratón veía vídeos y clips de YouTube, incluyendo escenas de «Mad Max: Fury Road», «The Matrix» y «Star Wars: Episodio VII - The Force Awakens».

Los investigadores registraron la actividad cerebral de 76.000 neuronas en un bloque de un milímetro cúbico del lóbulo occipital, que se encuentra en la parte posterior del cerebro y es clave para el procesamiento visual. Posteriormente, el equipo extrajo el cerebro del ratón y examinó sus características anatómicas, como las formas y conexiones celulares, del mismo lóbulo utilizando un microscopio electrónico.

A continuación, utilizando como guía las imágenes anatómicas y de células brillantes, un algoritmo de aprendizaje automático trazó las células cerebrales y sus prolongaciones, produciendo el mapa 3D final. La proeza cartográfica contiene 200.000 células y 523 millones de conexiones entre neuronas, denominadas sinapsis.
cells connectome
© Allen InstituteOtra visualización de un subconjunto de células dentro del nuevo conectoma.
El cerebro contiene varios tipos de células que desempeñan diferentes funciones, incluidas las neuronas, que envían señales, y las células gliales, que apoyan la función de las neuronas. La herramienta de aprendizaje automático distinguió entre decenas de tipos de células en función de sus características físicas.

Forrest Collman, neurocientífico del Instituto Allen y autor principal de dos de los artículos, dijo que este conjunto de datos es tres veces mayor que un conectoma tomado de una parte de un cerebro humano y 40 veces mayor que un conectoma de todo el cerebro de la mosca de la fruta, lo que lo convierte en el mayor conectoma hasta la fecha.

A pesar de la densidad del conjunto de datos, Reimer afirma que está incompleto: faltan algunas células cerebrales.

El conectoma también contiene extensiones «huérfanas» que no parecen emanar de ninguna célula. Esto podría deberse a que las propias células no fueron detectadas por el algoritmo de aprendizaje automático o a que las extensiones están conectadas a células fuera de los confines de la región muestreada.

«Hay que corregir muchas cosas», explica Reimer, y gran parte de esa doble comprobación debe ser realizada manualmente por los científicos. Sin embargo, su equipo ha desarrollado una herramienta informática que automatiza parcialmente este paso.
Neurons
© Clare Gamlin/Allen InstituteEsta representación muestra una neurona inhibidora de la capa 5 de la corteza visual. Está reconstruida a partir de un conjunto de datos de microscopía electrónica a gran escala. Las sinapsis de salida de la célula (puntos brillantes) están codificadas por colores (rojo o cian) en función del tipo de célula a la que se dirigen en el otro extremo.
Nuevos conocimientos sobre las conexiones neuronales

Hay un refrán que dice que las neuronas que «disparan juntas se conectan», lo que significa que, al menos en distancias cortas, las células cerebrales que se activan en tándem tienen más probabilidades de formar conexiones. El conectoma reveló que este patrón también es válido en trayectos más largos, que abarcan la anchura de 1 mm del bloque muestreado.

Según Collman, el conectoma también ha revelado nueva información sobre cómo las llamadas neuronas inhibidoras, que hacen que otras neuronas tengan menos probabilidades de activarse, realmente detienen la activación de las neuronas excitadoras.

Antes de disponer del conectoma, los neurocientíficos no estaban seguros de si las neuronas inhibidoras se dirigían a células específicas de una red determinada, en lugar de afectar simplemente a neuronas locales que se encontraban cerca de su cableado, explica Collman. El conectoma reveló que las células inhibidoras procedentes de distintas zonas del cerebro pueden converger en las mismas células diana situadas lejos, lo que sugiere que su inhibición es muy específica.

Este conectoma podría aportar más información en el futuro.

«Los autores han hecho públicos los datos asociados al artículo», afirma Max Aragon, estudiante de doctorado en neurociencia de la Universidad de Princeton que no ha participado en el trabajo. «Se trata de una gran ayuda para la comunidad neurocientífica», dijo a Live Science en un correo electrónico, señalando que otros investigadores pueden ahora aprovechar los datos para su propio trabajo.

Además de revelar cómo funciona el cerebro, el conectoma podría «proporcionar información crucial para abordar trastornos neurológicos en los que la disfunción del circuito desempeña un papel», dijo Mujica-Parodi - por ejemplo, la acumulación de placas en la enfermedad de Alzheimer y la formación de lesiones en la esclerosis múltiple a menudo dañan las redes neuronales.

Y el trabajo no acaba ahí. «El cubo milimétrico es inmenso en cierto sentido», dijo Reimer, «pero es sólo una fracción del sistema visual del ratón».

En la próxima década, la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud se centrará en desarrollar un conectoma de todo el cerebro del ratón, añadió, lo que podría ayudar a los investigadores a comprender los circuitos de larga distancia entre distintas regiones cerebrales.

Sin embargo, el futuro de este proyecto es actualmente incierto, ya que el Congreso recortó 278 millones de dólares de financiación el año pasado.