En una primicia mundial, biólogos de la Universidad de Harvard trabajaron con Google para trazar el diagrama de un milímetro cúbico de corteza cerebral humana a nivel subcelular, preparando el terreno para la próxima generación de la neurociencia

Esta imagen podría colgarse en una galería, pero empezó siendo un diminuto fragmento del cerebro de una mujer. En 2014, a una paciente que fue intervenida quirúrgicamente por epilepsia se le extirpó un pequeño trozo de corteza cerebral. Este milímetro cúbico de tejido permitió a los investigadores de la Universidad de Harvard y Google elaborar el diagrama de cableado del cerebro humano más detallado que el mundo haya visto jamás.

Biólogos y expertos en aprendizaje automático dedicaron 10 años a construir un mapa interactivo del tejido cerebral, que contiene aproximadamente 57,000 células y 150 millones de sinapsis. Muestra células que se envuelven sobre sí mismas, pares de ellas que parecen reflejadas y “objetos” con forma de huevo que, de acuerdo con el estudio, desafían la categorización. Se espera que este diagrama asombrosamente complejo ayude a impulsar la investigación científica, desde la comprensión de los circuitos neuronales humanos hasta los posibles tratamientos de trastornos.

Un mapa para conocer mejor el cerebro humano

“Si trazamos mapas con una resolución muy alta, observamos todas las conexiones entre las distintas neuronas y las analizamos a gran escala, quizá logremos identificar las reglas del cableado”, comenta Daniel Berger, uno de los investigadores principales del proyecto y especialista en conectómica, que es la ciencia que estudia cómo se enlazan las neuronas individuales para formar redes funcionales. “A partir de esto, quizá consigamos elaborar modelos que expliquen mecánicamente cómo se produce el pensamiento o se almacena la memoria”.

Jeff Lichtman, catedrático de Biología Molecular y Celular de Harvard, explica que los investigadores de su laboratorio, dirigidos por Alex Shapson-Coe, crearon el mapa cerebral tomando imágenes subcelulares del tejido mediante microscopía electrónica. El tejido del cerebro de la mujer de 45 años se tiñó con metales pesados, que se unen a las membranas lipídicas de las células. Esto se hizo para que las células fueran visibles al observarlas con un microscopio electrónico, ya que los metales pesados reflejan los electrones.

Posteriormente, el tejido se incrustó en resina para cortarlo en láminas muy finas, de solo 34 nanómetros de grosor (en comparación, el grosor de un trozo de papel normal es de unos 100,000 nanómetros). Esto se realizó para facilitar el mapeado, indica Berger, transformando un problema en 3D en uno en 2D. Después, el equipo tomó imágenes de microscopio electrónico de cada corte bidimensional, lo que supuso la descomunal cantidad de 1.4 petabytes de datos.

Una vez que los investigadores de Harvard obtuvieron estas imágenes, hicieron lo que muchos de nosotros solemos hacer cuando nos enfrentamos a un problema: recurrieron a Google. Un equipo de la gigante tecnológica liderado por Viren Jain alineó las imágenes bidimensionales mediante algoritmos de aprendizaje automático para producir reconstrucciones en tercera dimensión con segmentación automática, es decir, diferenciando y categorizando automáticamente los componentes de una imagen, por ejemplo, los distintos tipos de células. Parte de la segmentación requirió lo que Lichtman denominó “datos reales”, lo que supuso que Berger (que colaboró estrechamente con el equipo de Google) redibujara manualmente parte del tejido para informar mejor a los algoritmos.

La tecnología digital, explica Berger, le permitió observar todas las células de esta muestra de tejido y colorearlas de forma distinta según su tamaño. Los métodos tradicionales de obtención de imágenes de neuronas, como teñir las muestras con una sustancia química conocida como tinción de Golgi, que se emplea desde hace más de un siglo, dejan ocultos algunos elementos del tejido nervioso.

En el ejemplo anterior, Berger pintó de azul las células más pequeñas y de rojo las más grandes, y todas las demás células intermedias se situaron en un espectro de colores. Esto ayudó a los investigadores a identificar las seis capas corticales del cerebro y la materia blanca.

Aunque los investigadores han podido identificar estructuras a partir de los datos, una dificultad constante del proyecto es corregir la segmentación automática. Esto implica que las personas examinen manualmente cada parte del mapa tridimensional para comprobar si hay errores de segmentación. “Se trata de un enorme reto para los seres humanos, porque actualmente generamos conjuntos de datos más grandes de lo que un solo ser humano es capaz de experimentar”, afirma Lichtman.

En partes de los datos que se revisaron, Berger señala que determinadas células parecen “verdaderamente interesadas en contactar”. Los investigadores han encontrado casos de más de 50 sinapsis a una neurona singular, lo que, según Berger, es un fenómeno que antes se pasaba por alto y que quizá forme parte integral del procesamiento cortical.

Además de detectar estructuras y conexiones, los investigadores hallaron células anómalas. Berger explica que se topó con un “objeto” inidentificable con forma de huevo (mucho más pequeño que un cuerpo celular, pero parte de una célula) al intentar categorizar sistemáticamente cada célula del conjunto de datos. Otras células ambiguas son las que aparentemente replican la forma y las células “enredadas” que se enrollan sobre sí mismas; hasta que se realicen más investigaciones, estas células siguen siendo un misterio. Sin embargo, tal vez no lo sigan siendo por mucho tiempo.

El mapa del cerebro es de libre acceso, lo que significa que estas imágenes han abierto posibilidades ilimitadas para el progreso de la neurociencia, sobre todo porque se trata del primer diagrama de cableado del cerebro humano a nivel subcelular disponible públicamente. Tanto Berger como Lichtman hicieron hincapié en que no se embarcaron en el proyecto con objetivos concretos de descubrimiento, sino que más bien querían crear la “posibilidad de observar” y, a partir de ahí, confían (y esperan) que “lleguen nuevas perspectivas” tanto del laboratorio de Lichtman como de investigadores externos.

Además, Berger prevé que podrían lograrse avances en la comprensión y el tratamiento de enfermedades mentales como la esquizofrenia. Los posibles hallazgos futuros también podrían extenderse más allá de la mente, ya que Berger considera que las funciones del cerebro biológico quizá sirvan para mejorar los sistemas de inteligencia artificial de aprendizaje profundo y sus estructuras.

En cuanto a próximos proyectos, el laboratorio Lichtman de Harvard tiene previsto continuar su colaboración con Google para “multiplicar esta representación por mil” estudiando el cerebro entero de un ratón. El laboratorio de investigación también está trabajando con más muestras de cerebro humano, para ampliar la investigación a otras regiones del mismo. Esto mejorará el inestimable recurso ya existente y su capacidad para informar y expandir futuros descubrimientos.

Fuente: es.wired.com