Un equipo dirigido por Jeff Lichtman, neurocientífico de la Universidad Harvard, en colaboración con investigadores de Google, reconstruyó en 3D con resolución sináptica y nanométrica de un fragmento de cerebro humano que muestra con gran detalle cada célula y su red de conexiones neuronales en un fragmento de corteza temporal humana que mide aproximadamente medio grano de arroz.
El logro, publicado en el último número de Science, ocurre dentro de una colaboración de casi 10 años con científicos de Google Research. El equipo combina las imágenes de microscopía electrónica de Lichtman con algoritmos de inteligencia artificial (IA) para codificar por colores y reconstruir el complejísimo cableado del cerebro de los mamíferos.
La finalidad de esta colaboración, financiada por la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de la Salud de EE UU, era crear un mapa de alta resolución del cableado neuronal del cerebro de un ratón, que supondría unas 1.000 veces la cantidad de datos que acaban de producir a partir del fragmento de corteza humana de un milímetro cúbico.
El mapa en 3D contiene detalles nunca vistos de la estructura cerebral, incluido un raro pero potente conjunto de axones conectados por hasta 50 sinapsis. El equipo también observó rarezas como un pequeño número de axones que formaban extensos verticilos. Dado que la muestra procedía de un paciente con epilepsia, los investigadores no están seguros de si estas formaciones inusuales son patológicas o simplemente raras.
Detalles nunca vistos de la estructura cerebral
Lichtman, catedrático Jeremy R. Knowles de Biología Molecular y Celular y decano de Ciencias de Harvard, dice que la palabra «fragmento» resulta irónica. «Para la mayoría, un terabyte es gigantesco, pero ese minúsculo trocito contiene 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos y 150 millones de sinapsis, todo lo cual equivale a 1.400 terabytes de datos. Nuestra intención es representar los detalles de la arquitectura del cerebro humano con una resolución suficiente para ver todas y cada una de las conexiones sinápticas entre células nerviosas”, explica.
Imagen que muestra las neuronas excitadoras coloreadas según su profundidad desde la superficie del cerebro. Las azules son las más cercanas y las fucsias marcan la capa más interna. La muestra mide unos 3 mm de ancho / Google Research & Lichtman Lab (Harvard) / Renderizaciones D. Berger (Harvard)
Añade que se trata de un reto de ingeniería que requiere la tinción del cerebro con metales pesados (osmio, plomo y uranio), el seccionamiento ultrafino del cerebro (con un ultramicrotomo automatizado con cuchilla de diamante), la obtención de imágenes a gran velocidad con un microscopio electrónico de barrido multihaz y una serie de métodos informáticos para unir, alinear, segmentar y anotar los datos de las imágenes. Nada sencillo y muy complejo.
“Muchos de estos pasos computacionales requerían aprendizaje automático e inteligencia artificial. Nuestro equipo de Harvard y el de Google hemos trabajado duro durante varios años para conseguirlo”, contó.
Demasiados datos para un solo laboratorio
El campo de Lichtman es la conectómica, que como la genómica pretende crear catálogos completos de la estructura cerebral, hasta las células individuales y el cableado. Estos mapas completos abrirían el camino a conocimientos sobre la función y las enfermedades cerebrales.
Los algoritmos de IA de última generación de Google han permitido reconstruir y cartografiar el tejido cerebral en tres dimensiones. Los autores también han desarrollado herramientas de acceso público que otros científicos podrán utilizar para examinar y anotar el conectoma. “Dada la enorme inversión realizada en este proyecto era importante presentar los resultados en abierto para que cualquier persona pueda beneficiarse de los conocimientos”, afirma Viren Jain, investigador de Google Research y coautor del trabajo.
Lichtman subrayó que “el conjunto de datos es tan grande que sería imposible que un solo laboratorio lo estudie en su totalidad. Es más factible que se hagan descubrimientos relevantes si todas las partes interesadas tienen acceso a esa información”.
«Con la reconstrucción hemos aprendido que el cerebro humano, como entidad física, es mucho más compleja que los pensamientos que produce. Comprender nuestro cerebro mediante el pensamiento será todo un reto. Hemos encontrado muchas cosas bellas y extrañas que resultan inesperadas y, en muchos casos, bastante misteriosas”, asentó.
El impacto de Santiago Ramón y Cajal
Una sola neurona (blanca) con 5.600 axones (azules) que se conectan a ella. Las sinapsis de estas conexiones se muestran en verde. El núcleo central de la neurona mide unos 14 micrómetros // Google Research & Lichtman Lab (Harvard) / Renderizaciones D. Berger (Harvard)
La esperanza ultima es que la reconstrucción detallada permita una mejor comprensión de los trastornos cerebrales y al desarrollo de nuevas terapias. Las enfermedades psiquiátricas y del desarrollo del cerebro podrían tener una patología física subyacente y que investigadores puedan determinar lo que falla en el cerebro que causa el pensamiento desordenado en las personas afectadas.
Jeff Lichtman tiene el título honorífico de profesor de Arte y Ciencias Santiago Ramón y Cajal en Harvard y reconoce que el Nobel español ha tenido “enorme impacto” en su investigación: “Cajal, el primer científico especializado en conectómica, demostró mediante la tinción de Golgi que las neuronas están conectadas en una red direccional”.
Apuntó que el trabajo moderno sobre el conectoma realizado entre Harvard y Google supera la única limitación de la tinción de Golgi, que era una tinción dispersa. «Ahora tenemos en esencia un Golgi tecnicolor, de modo que todas las células y conexiones son visibles en la misma muestra”, subrayó.
Publicado por Cambio 16
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