Un milímetro cúbico es, según todos los indicios, diminuto. Es apenas perceptible: una mota, una mota o una migaja. Pero si miras con suficiente atención podrás descubrir un mundo entero dentro de una partícula de material. Un equipo de neurocientíficos e ingenieros, con la ayuda de herramientas de aprendizaje automático, ha trazado un volumen de un milímetro cúbico del cerebro humano con una resolución a nanoescala, rastreando cada neurona, sinapsis, vaso sanguíneo y célula de soporte dentro del fragmento y reconstruyendo un modelo 3D del tejido. . Aunque representa sólo una millonésima parte del volumen total del cerebro, es el mapa más detallado de una porción de materia cerebral humana jamás creado. Podría impulsar una ola de descubrimientos científicos sobre los trastornos neurológicos, la estructura del cerebro y los orígenes de nuestro comportamiento.
“En cierto sentido, nuestro conjunto de datos es minúsculo”. Jeff Lichtmanco-investigador principal del estudio, neurocientífico y profesor de biología molecular y celular en la Universidad de Harvard, dice ciencia pop. “Pero no se siente pequeño porque cuando entras, ves que es como un bosque gigantesco. Es un bosque muy pequeño, pero es un bosque muy, muy, muy complicado”, añade.
Toda esa complejidad se muestra en un estudio que documenta la construcción de este fragmento de mapa cerebral integral o “conectoma”. publicado el 9 de mayo en el diario Ciencia. El primer conectoma era el de un cerebro de nematodo, completado en 1986. Desde entonces, los neurocientíficos han seguido descubriendo cerebros cada vez más grandes y complicados, incluidos los de moscas de la fruta, gusanos, renacuajos y lombrices de tierra. Sin embargo, los cerebros humanos plantean un desafío cartográfico único por su complejidad e inaccesibilidad. El nuevo conectoma humano parcial es disponible en linea para que cualquiera pueda explorar.
“Esto no solo es una hazaña tecnológica impresionante, sino que es una herramienta y un recurso que realmente tiene como objetivo compartir con el mundo y difundir toda esta información científica”. Tim Moscúdice un neurocientífico de la Universidad Thomas Jefferson que no participó en el nuevo trabajo. ciencia pop. “Este grupo ha hecho un trabajo increíble al diseñar todas las nuevas herramientas y procesos para ponerlo a disposición de cualquiera que quiera verlo, pensar en ello y utilizarlo en su investigación”.
Sirviendo pizza de cerebro
La muestra del estudio se recopiló hace más de una década de un paciente anónimo sometido a una cirugía de epilepsia. El cirujano extrajo una pequeña porción del lóbulo temporal para acceder y tratar una lesión subyacente, rápidamente conservó el tejido y luego lo compartió con los científicos. Aunque el volumen total del fragmento es de aproximadamente 1 milímetro cúbico, no tiene forma cúbica. En cambio, “es como un trozo de pizza grueso, pero no tan grueso”, dice Lichtman. Este trozo triangular y romo, más largo que ancho, permitió a los investigadores capturar un poco de las seis capas de la corteza cerebral de 3 mm de espesor.
El primer paso para mapear la pizza cerebral fue rebanarlo en 5.019 secciones transversales individuales (cada una de 30 nanómetros de espesor) montadas en cinta utilizando una máquina especialmente diseñada que corta con un cuchillo de diamante. A partir de ahí, los investigadores pasaron un año completo observando cuidadosamente cada corte mediante un microscopio electrónico. Luego, alinearon y unieron digitalmente las rebanadas y utilizaron múltiples herramientas de aprendizaje automático para completar el formulario 3-D y etiquetar y colorear cada componente.
La densidad neuronal del segmento es de 16.000 neuronas por milímetro cúbico, aproximadamente un tercio menos que una estimación de densidad anterior de la misma sección del cerebro y 10 veces menos densa que la sección correspondiente del cerebro de un ratón, según el estudio. Las células gliales, el pegamento conectivo que mantiene unido el tejido cerebral, superan en número a las neuronas en el fragmento en una proporción de dos a uno.
Exploradores neuronales
El tamaño físico del fragmento del cerebro puede ser diminuto, pero el nivel de detalle significa que los datos capturados por el esfuerzo de mapeo son enormes. El segmento reconstruido tiene un tamaño digital de 1,4 petabytes, o 1.400 terabytes (equivalente a la capacidad de almacenamiento de unas 2.800 computadoras portátiles promedio). Dentro de eso, hay mucho por descubrir potencialmente: circuitos neuronales individuales, proporciones y formas celulares no observadas previamente, la composición de cada capa cortical y más.
“Es como ser un explorador que aterriza en una nueva isla”, dice Lichtman. “Sigues mirando a tu alrededor y seguirás encontrando cosas nuevas”.
Lichtman y sus numerosos coinvestigadores ya han hecho algunas observaciones interesantes. Entre los ~150 millones de sinapsis que mapearon, encontraron un tipo raro de conexión particularmente fuerte. En la gran mayoría (96,5%) de los casos, los axones (la línea de transmisión de salida de las neuronas) formaban una conexión con una célula diana. Algunos (alrededor del 3%) hicieron 2 conexiones. Pero menos del 0,01% forjó más de cuatro sinapsis, incluidos algunos axones y células diana que estaban conectadas en más de 50 puntos.
“Siempre hemos tenido la teoría de que habría superconexiones, por así decirlo, entre determinadas células”, dice Mosca. “Pero es algo que nunca hemos tenido la resolución de probar… Ahora sabemos que existe y podemos investigar qué hace”. La hipótesis actual de Lichtman es que estas conexiones extrafortificadas son el tipo de vías hiperrápidas que permiten el “uso automático del cerebro” para acciones aprendidas y bien establecidas.
Otra nueva observación: muchas dendritas (las extensiones ramificadas de las neuronas que generalmente reciben información) parecen reflejarse entre sí, apuntando simétricamente en una de las dos disposiciones direccionales entre infinitas posibilidades tridimensionales. “Nunca habíamos visto algo así [before]”, dice Lichtman. “¿Por qué hacen eso? No lo sabemos… [it is] un completo misterio”.
Los científicos encontraron además un nuevo tipo de estructura inexplicable a la que denominaron “verticilo axónico”, en el que largos cables axónicos parecen enredarse sobre sí mismos. Aunque no se trataba de todas las neuronas, algunos axones contenían múltiples nudos, dice Viren Jaincoautor principal del estudio y científico senior de Google, donde dirige la empresa Conectómica equipo de investigación. Nuevamente, se desconoce la función y causa de estos verticilos. “No esperábamos encontrar una estructura así. Es muy peculiar… como un gran revoltijo de cables que, para empezar, contraviene el propósito de un cable, que es ir a lugares y contactar con otras cosas”.
Es probable que estos tres hallazgos sean sólo la punta del iceberg. “El conjunto de datos es tan grande que un ser humano o un grupo de laboratorio no puede explorarlo [all], pero muchos seres humanos pueden hacerlo”, afirma Lichtman. Debido a la naturaleza abierta del proyecto, más de 200 papeles He citado la reconstrucción del cerebro desde que se publicó por primera vez como preimpresión, señala Jain.
Además de suponer un gran avance científico fundamental, los descubrimientos resultantes de este conectoma parcial podrían eventualmente ayudarnos a comprender y tratar mejor las enfermedades cerebrales. “La capacidad de medir el cableado neuronal del cerebro humano con tanto detalle abre interesantes oportunidades para mejorar la salud humana”, afirma Andres Leifer, físico y neurocientífico de la Universidad de Princeton que no participó en el proyecto. “Se podría imaginar comparar diferentes cerebros para comprender cómo cambia el cableado cerebral cuando un cerebro sano sufre una enfermedad o sufre una disfunción”, añade.
Avanzando hacia las fronteras del futuro
Pero aunque hay mucho por descubrir, también existen límites. Los métodos automatizados de aprendizaje automático que fueron clave para permitir un esfuerzo de tan gran escala tienen un margen de error que requiere supervisión humana para corregirlo. La edición será un proyecto continuo y es un esfuerzo científico comunitario. Cualquiera que quiera puede hacerlo. aplicar para participar en.
La muestra también es sólo una pequeña parte del cerebro de una persona. Hay mucho que aún no se puede inferir sobre los cerebros humanos en general u otras regiones del cerebro más allá del lóbulo temporal basándose en este único fragmento sin más muestras y mapas para comparar, señala Lichtman.
Y, quizás lo más crítico, el segmento del cerebro provino de alguien sometido a una cirugía por epilepsia; puede que no represente un cerebro “normal” y no hay manera de saberlo con certeza a menos que tengamos más partes para evaluar, dicen Jain y Lichtman. “Pero nosotros son Estamos planeando muchas medidas de seguimiento para esto”, añade Jain.
El equipo tiene la ambición de construir múltiples conectomas parciales que representen muestras adicionales de cerebro humano. También están trabajando en el conectoma del pez cebra y planean abordar segmentos cada vez más grandes del cerebro del ratón. Los cerebros de los mamíferos comparten muchas similitudes, por lo que un conectoma completo de ratón podría ofrecer nuevos conocimientos sobre nuestro propio cerebro, así como sobre la evolución de los cerebros entre los animales, dice Lichtman.
Por el momento, con las tecnologías disponibles actualmente (y sus implicaciones éticas), un conectoma completo del Brian humano es “un puente demasiado lejos”, dice Lichtman. “Literalmente, estamos un millón de veces lejos de eso”, dice Jain. Pero a través de este estudio, los científicos han dado un paso temprano (aunque minúsculo) en esa dirección, e incluso la mirilla más pequeña puede ser un portal hacia todo un universo de conocimiento.
“Me encantaría que la gente pensara en esto de la misma manera que piensan en el telescopio Hubble o James Webb”, dice Lichtman. “Estamos mirando hacia un dominio desconocido y que es mucho más relevante para nosotros que el lejano espacio exterior. Es este espacio interior que cada uno de nosotros tenemos sobre nuestros hombros el que utilizamos, pero del que no sabemos casi nada”.