Un equipo internacional reconstruye en 3D, con una precisión sin precedentes, un milímetro cúbico del córtex visual de un ratón. El resultado revela principios desconocidos sobre la organización y el funcionamiento cerebral.
Un proyecto científico pionero ha logrado reconstruir el circuito neuronal más completo hasta la fecha en un cerebro de mamífero. A partir de una muestra de tejido cerebral del tamaño de una semilla de chía, más de 150 investigadores han generado un mapa funcional y estructural de una región del córtex visual de ratón con un nivel de detalle sin precedentes.
El trabajo, fruto del proyecto MICrONS (en inglés, Machine Intelligence from Cortical Networks), se presenta en una serie de diez estudios publicados esta semana en las revistas Nature y Nature Methods. El conjunto de datos, que ocupa 1,6 petabytes —equivalente a 22 años de vídeo en alta definición— está disponible de forma abierta a través de la plataforma MICrONS Explorer.
“Los avances del proyecto MICrONS suponen un hito para la neurociencia, comparable al Proyecto Genoma Humano en cuanto a su potencial transformador”, señala David A. Markowitz, antiguo responsable del programa en IARPA, la agencia estadounidense que impulsó esta iniciativa.
Rafael Yuste, profesor de Ciencias Biológicas y director del Centro de NeuroTecnología de la Universidad de Columbia (Nueva York), presidente de la Fundación NeuroRights e impulsor del proyecto BRAIN, declara al SMC que “esta remesa de artículos es uno de los resultados más impresionantes de la iniciativa BRAIN [Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, por sus siglas en inglés] que empezó con el presidente Obama en el 2013 y que durará hasta el 2030”.
Yuste indica que han utilizado una técnica que se llama conectómica para reconstruir los circuitos de la corteza cerebral del ratón. “Han tardado casi una década, pero un consorcio de laboratorios ha logrado utilizar microscopía electrónica para mapear todas las conexiones neuronales en circuitos pequeños de neuronas cuya actividad había sido medida. Es un tour de force con muchísima riqueza de resultados que es como poner uno de muchos ladrillos en un enorme edificio para entender el cerebro”, añade.
Por su parte, Juan Lerma, profesor de investigación en el Instituto de Neurociencias CSIC-UMH agrega: “El proyecto denominado MICrONS proporciona un conjunto de datos a una escala y una resolución sin precedentes. En este dataset se han combinado registros funcionales con la estructura anatómica a alta resolución de varias áreas corticales visuales del ratón”, dice al SMC.
“Así, se han registrado funcionalmente más de 70 000 neuronas excitadoras y sus respuestas a vídeos de escenas naturales que abarcaron 1 mm3 de la corteza visual”, continúa. Este trabajo revela así la estructura detallada de unas 60 000 neuronas excitadoras y 500 millones de sinapsis, lo que representa el mayor estudio de estructura-función neocortical realizado hasta la fecha.
Representación de una célula Martinotti de la capa 5 (gris) reconstruida a partir de un conjunto de datos de microscopía electrónica a gran escala. / Clare Gamlin/Allen Institute
Este conjunto de trabajos sienta muchas de las bases de varios principios de organización funcional que, aunque asumidos, no estaban demostrados, formando las principales lagunas en el conocimiento del sistema nervioso. Los principios de conectividad que ahora se revelan a nivel estructural y funcional parecen tener un papel fundamental en el procesamiento sensorial y el aprendizaje.
Además, es de destacar que estos principios son compartidos tanto por sistemas biológicos como artificiales, lo que representa una información fundamental a la hora de diseñar redes artificiales basadas en IA. Sin duda, colectivamente, 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 comprensión del funcionamiento del cerebro.
Para lograrlo, los científicos comenzaron registrando la actividad de 75 000 neuronas de un ratón que corría sobre una cinta mientras observaba imágenes visuales. El animal había sido modificado genéticamente para que sus neuronas activas emitieran una proteína fluorescente. Posteriormente, se seleccionó una pequeña porción del córtex visual —de apenas un milímetro cúbico— y se procesó mediante técnicas avanzadas de microscopía electrónica.
A partir de ahí y gracias a nuevas herramientas de inteligencia artificial, investigadores de la Universidad de Princeton reconstruyeron digitalmente la conectividad cerebral, identificando más de 200 000 células, entre ellas 84 000 neuronas, 524 millones de sinapsis y seis kilómetros de cableado neuronal.
El mapa generado permite correlacionar la forma, la conectividad y la actividad de las células con su identidad genética, aportando una visión sin precedentes del funcionamiento cerebral. Entre los hallazgos más destacados se encuentra la identificación de nuevos tipos celulares, nuevas reglas de conectividad y un mecanismo de inhibición neuronal más selectivo y sofisticado de lo que se pensaba.
“Esto representa el futuro de la neurociencia”, afirma Andreas Tolias, investigador principal en Baylor y Stanford. “MICrONS sienta las bases para construir modelos integrales del cerebro, que conecten niveles conductuales, neuronales e incluso moleculares.”
Aunque el mapa representa solo una pequeña porción del cerebro —el córtex visual—, esta región comparte características con la de otros mamíferos, incluidos los humanos. Los autores reconocen que aún son necesarios mapas más amplios para comprender los circuitos completos del cerebro, lo que exigirá nuevos avances tecnológicos en el campo de la conectómica.
“A pesar de estas limitaciones, este trabajo marca un gran avance y constituye un recurso incalculable para futuros descubrimientos en neurociencia”, escriben Mariela Petkova y Gregor Schuhknecht en un artículo que acompaña la publicación. Definen el proyecto MICrONS como “el conjunto de datos más completo jamás reunido que vincula la estructura cerebral de un mamífero con la actividad neuronal en un animal en movimiento”.
Un mapa que revela la conectividad, la forma y la función de una porción microscópica del cerebro no es solo una proeza científica, sino un paso más hacia la comprensión del origen del pensamiento, la emoción y la conciencia. La tarea que Francis Crick consideró “imposible” en 1979 está hoy un poco más cerca de lograrse.
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