Accedemos a los misterios más profundos del cerebro humano

Un total de 30 investigadores de la Universidad de Harvard y de Google AI, la división de Google dedicada a la Inteligencia Artificial, han elaborado un intrincado mapa de cada célula y conexión sináptica en un milímetro cúbico de cerebro humano y descubierto que es una caja de sorpresas.

Se trata de la muestra más grande de tejido cerebral fotografiado y reconstruido con este nivel de detalle, en cualquier especie, y el primer estudio a gran escala de la conectividad sináptica (conectómica) en la corteza humana, señalan los investigadores.

La muestra es más pequeña que un grano de trigo y representa una millonésima parte del volumen de todo el cerebro humano. Se obtuvo de la corteza de una mujer de 45 años que se había sometido a una operación para la epilepsia.

Una vez extraída, la muestra se conservó adecuadamente y se trató con metales pesados para dar color a las estructuras celulares, y pudieran así ser observadas.

Muestra Humana 01

Muestra Humana 01A continuación, la muestra se cortó en 5.000 piezas delgadas y se obtuvieron imágenes de todas ellas usando potentes microscopios electrónicos, capaces de observar estructuras celulares a una resolución de 4 nanómetros (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro).

Las 225 millones de imágenes 2D individuales obtenidas de esa forma se alinearon y unieron computacionalmente en una representación digital tridimensional de la muestra cerebral, a la que han llamado H01 (muestra humana 01).

Potentes algoritmos de aprendizaje automático segmentaron las células y clasificaron sinapsis, axones, dendritas y otras estructuras, para obtener una instantánea digital de 50.000 células en 3D con sus 130 millones de conexiones entre ellas.

El mapa de este grano de cerebro humano ocupa 1,4 petabytes (un PB equivale a 10¹⁵ bytes) de espacio en disco, algo más de lo que ocupan 10 años de imágenes satelitales de nuestro planeta recopiladas por la NASA, destaca Singularity Hub.

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Pero ¿qué está pasando?

Pero ¿qué está pasando?Lo primero que observaron los investigadores al analizar con detalle una muestra tan pequeña de la corteza cerebral humana, es una inesperada serie de conexiones sinápticas entre neuronas, mucho más concentradas que las observadas en cerebros más simples, como los de los ratones o las moscas.

Ahora que los científicos han contemplado con asombro esa potente dinámica sináptica, se preguntan qué están haciendo estas conexiones neuronales tan intensas en la corteza: suponen que tienen que ver con reacciones cognitivas como detenernos siempre cuando el semáforo se pone en rojo.

En cualquier caso, la muestra ya se ha utilizado para estudiar varios aspectos interesantes de la organización de la corteza humana, se informa en un comunicado.

En particular, se han descubierto nuevos tipos de neuronas, así como la presencia de entradas axonales «atípicas», que establecen poderosas conexiones sinápticas con las dendritas objetivo.

Si bien estos hallazgos son un comienzo prometedor, la inmensidad del conjunto de datos de H01 proporcionará una base para muchos años de estudios adicionales por parte de investigadores interesados en la corteza humana, señalan los protagonistas de esta proeza tecnológica.

Un milímetro cúbico de tejido cerebral humano capturado en 1,4 petabytes de imágenes. Google IA.

Funciones cognitivas

Funciones cognitivasLa corteza cerebral juega un papel crucial en la mayoría de las funciones cognitivas de nivel superior, como el pensamiento, la memoria, la planificación, la percepción, el lenguaje y la atención.

Aunque ha habido algunos avances en la comprensión de la organización macroscópica de este tejido tan complicado, su organización a nivel de las células nerviosas individuales y sus sinapsis interconectadas es en gran parte desconocida, destacan los investigadores.

Por eso esperan que este mapa cerebral insólito proporcione nuevos conocimientos sobre cómo funciona el cerebro, desde el pensamiento hasta las emociones y la memoria, y cómo diagnosticar y tratar mejor los trastornos cerebrales.

También advierten que siguen existiendo serios desafíos técnicos para ampliar la cartografía cerebral a nivel de sinapsis en un cerebro de ratón completo (500 veces más grande que el mapa obtenido en esta investigación), por lo que resulta mucho más complicado conseguir lo mismo de un cerebro humano completo.

Datos a gestionar

Datos a gestionarUno de estos desafíos es el almacenamiento de datos: el cerebro de un ratón podría generar un volumen de exabytes de datos muy costoso de almacenar. Otro desafío se refiere al ruido de imagen que es difícil de comprimir.

Por último, señalan los investigadores que el gran tamaño de los conjuntos de datos futuros requerirá el desarrollo de nuevas estrategias, para que los científicos se organicen y accedan a la rica información inherente a los datos conectómicos.

Estos desafíos requerirán nuevos modos de interacción entre los seres humanos y los datos de mapas cerebrales, en los que estos investigadores ya están trabajando.

Referencia

A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex. Alexander Shapson-Coe et al. bioRxiv, May 30, 2021.DOI:https://doi.org/10.1101/2021.05.29.446289

Foto superior: alrededor de 4000 fibras nerviosas se conectan a esta única neurona. Laboratorio Google IA/Lichtman