El mapeo de un minúsculo trozo de cerebro de ratón abre un camino inexplorado para comprender la inteligencia humana

El mapeo de un minúsculo trozo del cerebro de un ratón, apenas un milímetro cúbico de su corteza cerebral, ha sido suficiente para emprender una senda nunca antes explorada hacia la comprensión de la mente humana. Un consorcio internacional ha logrado cartografiar, con un nivel de detalle sin precedentes, todo el cableado neuronal y cómo se activan las células del cerebro en ese pedacito de órgano de un mamífero. La información recopilada, que supone el mapeo del cerebro más grande hasta la fecha, ayudará a desentrañar las complejas redes neuronales que hay detrás de la cognición y el comportamiento. La investigación lleva la firma del proyecto MICrONS (Inteligencia Artificial a partir de Redes Corticales, por sus siglas en inglés), considerado el experimento de neurociencia más complejo jamás intentado. Los primeros hallazgos se han publicado este miércoles en la revista Nature.

El cachito de cerebro analizado no es más grande que un grano de arena, pero contiene unas 200.000 células, 500 millones de sinapsis —las conexiones entre neuronas— y más de cuatro kilómetros de cableado neuronal. “Dentro de esa diminuta partícula se encuentra toda una arquitectura, como un bosque exquisito. Contiene todo tipo de reglas de conexión que conocíamos de diversas áreas de la neurociencia, y dentro de la propia reconstrucción, podemos probar las teorías antiguas y esperar encontrar cosas nuevas que nadie había visto antes”, avanza en un comunicado Clay Reid, neurocientífico del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro de Seattle (Estados Unidos) e investigador principal de este proyecto.

Cada idea, cada recuerdo, cada acción que uno realiza en el día a día, se origina en la actividad de las neuronas en el cerebro. En ese enrevesado y enigmático centro de operaciones que guarda la esencia humana. Entender cómo funciona, cómo operan y se relacionan todas eras redes neuronales, cómo encaja la función de cada una de ellas en esa arquitectura cerebral, es uno de los mayores retos que la comunidad científica tiene por delante. “Nuestra inteligencia y nuestra mente son expresiones de la estructura física de nuestro cerebro. Al comprender esta estructura, podemos delimitar y moldear mejor las hipótesis sobre cómo se implementa la inteligencia en nuestro cerebro”, reflexiona, en una respuesta por correo electrónico, Nuno da Costa, científico en el Instituto Allen y coautor de esta investigación.

Ya se ha mapeado con éxito el cableado cerebral en otros modelos animales más simples, como la larva de la mosca de la fruta (algo más de 3.000 neuronas y cerca de 550.000 sinapsis) o el cerebro adulto de este mismo animal (140.000 neuronas y 50 millones de sinapsis). Pero examinar, con tal nivel de detalle, esa minúscula parte del cerebro del ratón (que supone una fracción aún mucho menor del cerebro humano) trasciende, según los científicos, todos los límites tecnológicos conocidos del campo de la conectómica, que es la disciplina que mapea y describe las conexiones neuronales. Si acaso, lo único comparable, recuerdan en un comentario adjunto dos investigadores de la Universidad de Harvard, es lo logrado el año pasado al cartografiar un milímetro cúbico del cerebro de un paciente con epilepsia: había ahí 57.000 células y 150 millones de sinapsis. “Juntos, estos dos proyectos [el mapeo de trozo de cerebro de ratón y el del paciente con epilepsia] definen la frontera tecnológica actual de la conectómica de mamíferos a gran escala”, contextualizan.

Costa cuenta que, cuando comenzaron su investigación, obtener imágenes de un milímetro cúbico de tejido cerebral con este nivel de detalle, “superaba con creces” lo logrado hasta la fecha. El experimento era, dice, “extremandamente ambicioso”. “La escala y la resolución de este conjunto de datos van mucho más allá de las neuronas. Incluye todos los vasos sanguíneos, las células no neuronales como la glía e incluso los orgánulos dentro de las células individuales”, abunda.

Y pone un ejemplo visual de lo logrado al perfilar todas esas redes neuronales en el trozo de cerebro de ratón: “Imagina una especie de Google Maps para el cerebro: no solo mostrará las principales autopistas, sino también cada calle, cada casa, cada habitación dentro de cada casa, e incluso cada puerta y ventana. Al igual que las personas usan Google Maps para determinar la mejor ruta del punto A al punto B, o incluso para comprobar si existe una ruta, este tipo de mapa cerebral detallado permite a los científicos ver si dos neuronas están conectadas y exactamente dónde se producen esas conexiones”.

La región que nos hace humanos

El volumen estudiado está muy lejos de las dimensiones y la complejidad de un cerebro humano, pero los datos que arroja este mapeo son más extrapolables de lo que pudiera parecer. La elección de analizar una región concreta, como la corteza cerebral, por ejemplo, no es baladí, explica da Costa: “Esta región cerebral es posiblemente la estructura más crucial que nos define como humanos, en gran parte debido a su importante expansión en nuestro cerebro. Al estudiar cómo funciona la corteza cerebral en el cerebro del ratón, podemos generar mejores ideas e hipótesis sobre cómo funciona nuestro propio cerebro”.

En el comentario adjunto, los dos investigadores de Harvard abundan en ello: esa región cerebral está considerada “la sede de la cognición superior”, un territorio clave para la percepción sensorial, el procesamiento del lenguaje o la toma de decisiones. Son funciones aparentemente muy diferentes, pero posibles gracias a una especie de patrón que se encuentra, con algunas modificaciones, en todas las áreas corticales y en todos los mamíferos: “Esto hace que estudiar la corteza sea, en cierto modo, similar a comprender los principios de un motor de combustión observando muchos coches: existen diferentes modelos de motor, pero se aplica la misma mecánica fundamental. Para comprender el motor, es útil no solo tener una descripción de todas sus partes, sino también comprender cómo funcionan juntas”, ejemplifican los científicos de Harvard.

El proyecto ha sido un gran trabajo en equipo. Primero, científicos de la Facultad de Medicina de Baylor (Texas) usaron microscopios especializados para registrar la actividad cerebral de ese milímetro cúbico de corteza visual de un ratón mientras el animal veía diversas películas y vídeos de YouTube. Luego, los investigadores del Instituto Allen tomaron esa misma porción de cerebro y la dividieron en más de 24.000 capas, cada una de ella más de mil veces más fina que un pelo, y recurrieron a microscopios electrónicos para tomar imágenes en alta resolución de cada corte. Por último, otro grupo de la Universidad de Princeton empleó inteligencia artificial para reconstruir cada célula y todas las conexiones en una imagen virtual hasta gestar ese diagrama de cableado y el mapa funcional del cerebro más grande hasta el momento.

Más de 150 neurocientíficos han trabajado en este proyecto. La labor ha sido titánica. “Cortar las más de 20 000 secciones necesarias para el conjunto de datos llevó 12 días y noches seguidos, con nuestro equipo trabajando por turnos para garantizar que no se perdiera ninguna sección consecutiva”, ejemplifica da Costa. Se recopiló un cantidad ingente de información,1,6 petabytes de datos, que equivale a ver un vídeo en HD de forma continua durante 22 años. Pero el trabajo ya ha empezado a dar sus frutos.

“Un paso de gigante”

Los primeros estudios han revelado nuevos tipos de células e innovadores principios organizativos y funcionales, explica el Instituto Allen. Destaca, por ejemplo, el hallazgo de un nuevo principio de inhibición dentro del cerebro. Así, si bien se pensaba que las células inhibidoras (las que suprimen la actividad neuronal) solo amortiguaban la acción de otras células, los investigadores del proyecto MICrONS han descubierto que el nivel de comunicación es, en realidad, mucho más sofisticado: las células inhibidoras no actúan de forma aleatoria, sino que son muy selectivas en cuanto a las células excitatorias a las que se dirigen y cooperan en red (unas trabajan juntas para suprimir muchas células excitatorias, otras son más precisas y se dirigen a un solo tipo...).

Y estos descubrimientos solo son el principio. Las expectativas con todo el conocimiento que guarda esta gran investigación son altísimas. Para avanzar en la comprensión del pensamiento y la conciencia, pero también para dar pasos adelante en el estudio y abordaje de numerosas enfermedades, señala Da Costa: “Las enfermedades del cerebro son, en última instancia, el resultado de cambios en la estructura cerebral, por lo que comprender dicha estructura es fundamental a largo plazo. A medio y largo plazo, el mapeo detallado de las conexiones celulares inhibidoras, combinado con las descripciones genéticas de estos mismos tipos celulares, podría ser crucial si se descubre que alguna de estas células está involucrada en una enfermedad en particular. Este conocimiento podría, por ejemplo, respaldar el desarrollo de fármacos dirigidos a subconjuntos específicos de la red neuronal o ayudar a explicar cómo funcionan los fármacos existentes al identificar los tipos de células a los que afectan”.

Para Rafael Yuste, profesor de Ciencias Biológicas y director del Centro de NeuroTecnología de la Universidad de Columbia (Nueva York) e impulsor de la Iniciativa BRAIN, esta investigación, en la que no ha participado, es “un tour de force con muchísima riqueza de resultados, como poner uno de muchos ladrillos en un enorme edificio para entender el cerebro”. “Es conveniente recordar que hace más de un año se publicó otra remesa de artículos impresionantes, mapeando los tipos celulares del cerebro, que son las neuronas que generan todas estas conexiones. Este es otro de los resultados más impresionantes que ha surgido del proyecto BRAIN de Estados Unidos [la actual investigación también está apoyada por la Iniciativa BRAIN]. Ahora, el gran desafío es juntar estos dos troncos de ciencia nueva; en otras palabras, entender qué conexiones surgen de qué tipo de neuronas”, apunta el científico en declaraciones al portal Science Media Center (SMC) España.

Por su parte, Juan Lerma, profesor de investigación en el Instituto de Neurociencias CSIC-UMH, considera que este trabajo “sienta muchas de las bases de varios principios de organización funcional que, aunque asumidos, no estaban demostrados y representaban lagunas del conocimiento del sistema nervioso”. ”Estos hallazgos son un paso de gigante, largamente esperado y que no es sino la punta del iceberg de lo que está por venir en la compresión del funcionamiento del cerebro”, incide también a SMC.