La mayor reconstrucción en 3D de un fragmento del cerebro humano con resolución sináptica y nanométrica ha sido creada tras 10 años de investigación a través de un equipo dirigido por el neurocientífico Jeff Lichtman de la Universidad Harvard junto a investigadores de Google. La reconstrucción lograda permite ver en detalle cada célula así como su red de conexiones neuronales dentro de un fragmento de corteza temporal humana donado que mide aproximadamente como medio grano de arroz.
La reconstrucción cuenta con 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos y 150 millones de sinapsis que, en conjunto, equivale a 1.400 terabytes de datos. Los autores esperan que los resultados, que serán públicos, contribuyan a conocer mejor el cerebro y al desarrollo de nuevas terapias. El estudio fue publicado en Science.
El estudio
Para lograr esta reconstrucción, se combinaron imágenes de microscopía electrónica que poseía Lichtman, junto a algoritmos de inteligencia artificial (IA) que permitió codificar en colores y reconstruir el cableado complejo que presenta el cerebro de un mamífero. De esta forma, se buscó crear un mapa de alta resolución del cableado neuronal de todo el cerebro de un ratón. Esto supondría unas 1.000 veces la cantidad de datos que acaban de producir a partir del fragmento de corteza humana de un milímetro cúbico.
"Nuestro objetivo 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", indicó Jeff Lichtman, líder del estudio (Universidad de Harvard).
Esto implica 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.
Ir hacia los detalles
El nuevo mapa 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 en el tejido, 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.
Lichtman se especializa en conectómica, que, de forma análoga a la genómica, pretende crear catálogos completos de la estructura cerebral, hasta las células individuales y el cableado. Estos mapas completos abrirían el camino a nuevos conocimientos sobre la función y las enfermedades cerebrales, de las que los científicos aún saben muy poco.
Por su parte, los algoritmos de IA de última generación de Google permitieron reconstruir y cartografiar el tejido cerebral en tres dimensiones. Asimismo, se desarrolló un conjunto de herramientas de acceso público que otros científicos podrán utilizar para examinar y anotar el conectoma.
A partir de esta reconstrucción, los científicos dieron cuenta de que el cerebro humano, como entidad física, es mucho más complejo que los pensamientos que produce. Esto significa que comprender al cerebro mediante el pensamiento será todo un reto.
Respecto de cómo puede contribuir esta reconstrucción detallada a una mejor comprensión de los trastornos cerebrales y al desarrollo de nuevas terapias, los investigadores sostienen que la gran esperanza se centra en que las enfermedades psiquiátricas y del desarrollo del cerebro tengan una patología física subyacente y que este estudio ayude a los investigadores a describir mejor lo que falla en el interior del cerebro para causar el pensamiento desordenado en las personas afectadas.
El siguiente paso de la investigación será abordar la formación del hipocampo del ratón, importante para la neurociencia por su papel en la memoria y las enfermedades neurológicas.
Con todo ello, Lichtman concluyó: “El trabajo moderno sobre el conectoma, como el de nuestro estudio, supera la única limitación de la tinción de Golgi: una tinción dispersa. Ahora tenemos en esencia un Golgi tecnicolor, de modo que todas las células y conexiones son visibles en la misma muestra”.
Fuente: SINC.