Una mirada a las herramientas que se utilizan para mapear el cerebro humano

Yongsoo Kim es profesor asociado de Ciencias Neurales y del Comportamiento, Penn State. Esta historia apareció originalmente en La conversación.

El cerebro juega un papel esencial en la forma en que las personas navegan por el mundo al generar pensamientos y comportamientos. A pesar de ser uno de los órganos más vitales de la vida, solo ocupa 2 por ciento del volumen del cuerpo humano. ¿Cómo puede algo tan pequeño realizar tareas tan complejas?

Afortunadamente, las herramientas modernas como el mapeo cerebral han permitido neurocientíficos como yo para responder esta pregunta exacta. Al trazar un mapa de cómo se organizan todos los tipos de células en el cerebro y examinar cómo se comunican entre sí, los neurocientíficos pueden comprender mejor cómo funcionan normalmente los cerebros y qué sucede cuando ciertas partes de las células faltan o funcionan mal.

La historia del mapeo cerebral

La tarea de comprender el funcionamiento interno del cerebro ha fascinado tanto a filósofos como a científicos durante siglos. Aristóteles propuso que el cerebro es donde reside el espíritu. Leonardo da Vinci Dibujó representaciones anatómicas del cerebro con cera incrustada. Y Santiago Ramón y Cajal, con su trabajo ganador del Premio Nobel de 1906 sobre la estructura celular del sistema nervioso, realizó uno de los primeros avances que llevaron a la neurociencia moderna tal como la conocemos.

Usando una nueva forma de visualizar celdas individuales llamada Tinción de Golgi, un método iniciado por el co-ganador del Nobel Camillo Golgi, y el examen microscópico del tejido cerebral, Cajal estableció el seminal doctrina de la neurona. Este principio establece que las neuronas, entre los principales tipos de células cerebrales, se comunican entre sí a través de los espacios entre ellos llamados sinapsis. Estos hallazgos lanzaron una carrera para comprender la composición celular del cerebro y cómo las células cerebrales están conectadas entre sí.

Desde entonces, la neurociencia ha experimentado una rápida explosión de nuevas herramientas experimentales. Avanzando 100 años hasta hoy, las herramientas modernas llamadas neurotécnicas, que incluyen mapas cerebrales, han brindado a los neurocientíficos una forma de inspeccionar de cerca todos los componentes del cerebro. Mi laboratorio ha sido utilizando estas herramientas de mapeo cerebral

para comprender qué tipos de células componen el cerebro y cómo contribuyen a la creación de la cognición.

La ciencia del mapeo cerebral

Entonces, ¿cómo funciona el mapeo cerebral?

Los científicos primero necesitan etiquetar o visualizar un tipo de célula específico. El proceso es como encontrar una aguja en un pajar: sería mucho más fácil de encontrar si la aguja o el tipo de célula brillaran. Esto se puede hacer con métodos genéticos o de inmunotinción. los método genético se aprovecha de los animales, como los ratones, que pueden modificarse genéticamente para que solo el tipo de célula diana sea visible bajo luces fluorescentes específicas. Los métodos de inmunotinción, por otro lado, hacer que las muestras cerebrales sean transparentes con un tratamiento químico especial y utilice anticuerpos para marcar el tipo de célula diana con una etiqueta fluorescente.

El siguiente paso es obtener imágenes de todo el cerebro utilizando técnicas de microscopía que permiten a los científicos ver partes demasiado pequeñas para que las vea el ojo humano. Herramientas de microscopía especializadas puede tomar instantáneas, o mosaicos, de todo el cerebro. Unir estos mosaicos de imágenes puede reconstruir un volumen 3D intacto como un mosaico fotográfico. Es como construir un mapa de Google del cerebro: al combinar millones de fotos de calles individuales, pue de acercar para ver cada esquina de la calle y alejar para ver una ciudad completa.

Como era de esperar, este tipo de imágenes 3D crea conjuntos de datos muy grandes. A pesar de que el cerebro de un ratón es más pequeño que la yema de un dedo humano, el tamaño de estos conjuntos de datos puede alcanzar fácilmente entre unos cientos de gigabytes y un terabyte. Afortunadamente, los notables avances en equipos informáticos y software han hecho posible el análisis de datos a gran escala. Los algoritmos de inteligencia artificial en particular han permitido a los científicos detectar muchas características celulares diferentes en el cerebro, como la forma y el tamaño de las células, así como los procesos a los que se someten.

Una vez que los científicos pueden detectar su tipo de célula objetivo en un conjunto de datos de imágenes, el paso final es localizar características celulares específicas en un cerebro de referencia. Este cerebro de referencia sirve como un mapa estandarizado que muestra dónde se encuentra cada región del cerebro. Luego, los científicos pueden usar este mapa para comparar con los cerebros individuales y observar sus variaciones.

Estos pasos se repiten para cada tipo de célula, creando un mapa más rico y completo del cerebro con cada ejecución.

Trabajando juntos para construir un mapa cerebral

Los científicos ahora tienen las herramientas para examinar todo el cerebro con gran detalle. Se ha realizado un esfuerzo considerable para coordinar y agrupar datos de los laboratorios de investigación de mapas cerebrales para crear mapas cerebrales completos. Por ejemplo, el Iniciativa US BRAIN creó el Red de Censos Celulares de la Iniciativa BRAIN (BICCN) en el que participa mi laboratorio. Los grupos de investigación colaboradores de la red lanzaron recientemente los más mapa completo de los tipos de células en la corteza motora del cerebro en humanos, monos y ratones.

Pero, ¿es esto suficiente para comprender cómo funciona el cerebro?

Los avances técnicos en tinción celular y microscopía ayudaron a Santiago Ramón y Cajal a realizar su descubrimiento fundamental sobre las neuronas. Sin embargo, fue su capacidad para llegar a una teoría para explicar sus observaciones lo que hizo avanzar la comprensión del cerebro por parte de los neurocientíficos.

Si bien los investigadores han estado ocupados recopilando información increíblemente detallada sobre el cerebro, el uso de estos datos para crear nuevas teorías sobre cómo funciona el cerebro se queda atrás. Un mapa de células no les dice necesariamente a los investigadores cómo funcionan las células e interactúan entre sí en su conjunto. Por ejemplo, ¿cómo estas redes increíblemente complejas de tipos de células cerebrales trabajan juntas para generar cognición? ¿Existe una unidad básica en el cerebro que dirija cómo se forma y funciona? Responder preguntas como estas ayudará a los investigadores a comprender cómo los cambios cerebrales específicos están relacionados con diferentes trastornos cerebrales como la demencia y a idear nuevas estrategias para tratarlos.

Es un momento muy emocionante para la investigación en neurociencia. El mapeo cerebral increíblemente rico y de alta resolución presenta una gran oportunidad para que los neurocientíficos reflexionen profundamente sobre lo que dicen estos nuevos datos sobre cómo funciona el cerebro. Aunque todavía existen muchas incógnitas sobre el cerebro, estas nuevas herramientas y técnicas podrían ayudar a sacarlas a la luz.

La conversación

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