Unos científicos producen el mapa más grande de un cerebro a la fecha

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El cerebro humano es tan complejo que a los cerebros científicos les cuesta darle sentido. Un trozo de tejido neuronal del tamaño de un grano de arena puede estar repleto de cientos de miles de células unidas por kilómetros de cableado. En 1979, Francis Crick, científico galardonado con el premio Nobel, llegó a la conclusión de que la anatomía y la actividad en tan solo un milímetro cúbico de materia cerebral superaría para siempre nuestra comprensión.

"Es inútil pedir lo imposible", escribió Crick.

Cuarenta y seis años después, un equipo de más de 100 científicos ha logrado ese imposible, registrando la actividad celular y cartografiando la estructura en un milímetro cúbico del cerebro de un ratón, menos del uno por ciento de su volumen total. Para lograr esta hazaña, acumularon 1,6 petabytes de datos, el equivalente a 22 años de video de alta definición sin interrupción.

"Se trata de un hito", dijo Davi Bock, neurocientífico de la Universidad de Vermont que no participó en el estudio publicado el miércoles en la revista Nature. Bock dijo que los avances que hicieron posible trazar el mapa de un milímetro cúbico de cerebro eran un buen augurio para un nuevo objetivo: trazar el mapa del cableado de todo el cerebro de un ratón.

"Es totalmente factible, y creo que vale la pena hacerlo", dijo.

Han pasado más de 130 años desde que el neurocientífico español Santiago Ramón y Cajal observó por primera vez neuronas individuales al microscopio, distinguiendo sus peculiares formas ramificadas. Generaciones posteriores de científicos descifraron muchos de los detalles de cómo una neurona envía un pico de voltaje por un largo brazo, llamado axón. Cada axón entra en contacto con pequeñas ramificaciones, o dendritas, de las neuronas vecinas. Algunas neuronas excitan a sus vecinas para que emitan picos de voltaje propios. Otras silencian a otras neuronas.

El pensamiento humano surge de algún modo de esta mezcla de excitación e inhibición. Pero cómo ocurre eso ha sido un gran misterio, en gran parte porque los científicos solo han podido estudiar unas pocas neuronas a la vez.

En las últimas décadas, los avances tecnológicos han permitido a los científicos empezar a cartografiar los cerebros en su totalidad. En 1986, unos investigadores británicos publicaron los circuitos de un diminuto gusano, formados por 302 neuronas. En años posteriores, los investigadores trazaron los mapas de cerebros más grandes, como las 140.000 neuronas del cerebro de una mosca.

¿Podría ser posible, después de todo, el sueño imposible de Crick? En 2016, el gobierno estadounidense inició un esfuerzo de 100 millones de dólares para escanear un milímetro cúbico del cerebro de un ratón. El proyecto --denominado Inteligencia Artificial a partir de Redes Corticales, o MICrONS por su sigla en inglés-- fue dirigido por científicos del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, la Universidad de Princeton y el Baylor College of Medicine.

Los investigadores se centraron en una parte del cerebro del ratón que recibe señales de los ojos y reconstruye lo que ve el animal. En la primera fase de la investigación, el equipo registró la actividad de las neuronas de esa región mientras mostraba a un ratón videos de distintos paisajes.

A continuación, los investigadores diseccionaron el cerebro del ratón y rociaron el milímetro cúbico con sustancias químicas endurecedoras. Luego cortaron 28.000 rebanadas del bloque de tejido, capturando una imagen de cada una. Los ordenadores fueron entrenados para reconocer los contornos de las células en cada corte y unir los cortes en formas tridimensionales. En total, el equipo registró 200.000 neuronas y otros tipos de células cerebrales, junto con 523 millones de conexiones neuronales.

Para Nuno da Costa, biólogo del Instituto Allen y uno de los líderes del proyecto, el mero hecho de ver cómo las células tomaban forma en la pantalla de su ordenador era impresionante. "Estas neuronas son absolutamente impresionantes, me produce placer", dijo.

Para comprender cómo funcionaba esta maraña de neuronas, Da Costa y sus colegas cartografiaron la actividad que se había registrado cuando el ratón miraba videos.

"Imagina que llegas a una fiesta en la que hay 80.000 personas, y puedes estar al tanto de todas las conversaciones, pero no sabes quién habla con quién", dijo da Costa. "Y ahora imagina que tienes una forma de saber quién habla con quién, pero no tienes ni idea de lo que están hablando. Si tienes estas dos cosas, puedes contar mejor lo que está pasando en la fiesta".

Analizando los datos, los investigadores descubrieron patrones en el cableado del cerebro que habían pasado desapercibidos hasta ahora. Identificaron distintos tipos de neuronas inhibitorias, por ejemplo, que se enlazan solo con determinados tipos de neuronas.

"Cuando te adentras en el estudio del cerebro, parece algo desesperanzador: hay tantas conexiones y tanta complejidad", dijo Mariela Petkova, biofísica de Harvard que no participó en el proyecto MICrONS. "Encontrar reglas de conexión es una victoria. El cerebro es mucho menos desordenado de lo que se pensaba", dijo.

Muchos de los investigadores del proyecto MICrONS están colaborando ahora en un proyecto mayor: cartografiar el cerebro de un ratón entero. Con un volumen de 500 milímetros cúbicos, un cerebro completo tardaría décadas o siglos en trazarse con los métodos actuales. Los científicos tendrán que encontrar trucos adicionales para terminar el proyecto en una década.

"Lo que han tenido que hacer para llegar hasta aquí es heroico", dijo Gregory Jefferis, neurocientífico de la Universidad de Cambridge que no participó en el proyecto MICrONS. "Pero aún nos queda una montaña que escalar".

Forrest Collman, miembro del proyecto MICrONS en el Instituto Allen, es optimista. Él y sus colegas descubrieron recientemente cómo hacer secciones microscópicamente finas de todo el cerebro de un ratón. "Algunas de estas barreras están empezando a caer", dijo Collman.

Pero nuestro propio cerebro, que es unas mil veces mayor que el de un ratón, presenta un reto mucho mayor, añadió. "El cerebro humano ahora mismo parece estar fuera del alcance de lo posible", dijo. "No vamos a llegar allí en breve".

Pero Sebastian Seung, neurocientífico de Princeton y miembro del proyecto MICrONS, señaló que los cerebros de ratón y humano son lo bastante similares como para que los investigadores puedan obtener pistas que les ayuden a encontrar medicamentos para tratar eficazmente los trastornos psicológicos sin causar efectos secundarios perjudiciales.

"Nuestros métodos actuales de manipulación del sistema nervioso son instrumentos increíblemente toscos", dijo Seung. "Introduces un fármaco y llega a todas partes", añadió. "Pero poder llegar y manipular un tipo de célula, eso sí que es precisión".

Los esfuerzos por cartografiar todo el cerebro de un ratón se financian con fondos de un programa de larga duración de los Institutos Nacionales de Salud denominado iniciativa BRAIN. Pero el futuro de esta iniciativa es incierto. El año pasado, el Congreso recortó la financiación de la iniciativa BRAIN en un 40 por ciento, y el mes pasado el presidente Donald Trump firmó un proyecto de ley que recorta el apoyo en otro 20 por ciento.

Bock señaló que los esfuerzos de mapeo cerebral como MICrONS toman años, en parte porque requieren la invención de nuevas tecnologías y programas informáticos a lo largo del proceso.

"Necesitamos coherencia y previsibilidad en la financiación de la ciencia para poder alcanzar estos objetivos a largo plazo", dijo Bock.

Carl Zimmer cubre noticias sobre ciencia para el Times y escribe la columna Orígenes.