domingo, 19 de junio de 2016

¿Es posible construir un diagrama completo del cableado del cerebro humano?







Un "conectoma", o mapa de las rutas y conexiones neuronales
 de un cerebro humano (Crédito: Human Conne
ctome Project)



Nuestros cerebros son máquinas maravillosas e  increíbles. Son más lentas que los primeros ordenadores personales en términos de poder de procesamiento en bruto, pero sin embargo, son capaces de utilizar la intuición y pueden almacenar toda una vida de recuerdos que tienen referencias cruzadas  y a los que se accede de forma instantánea con el menor de los indicios.  Sin embargo, sabemos muy poco acerca de cómo lo consigue. Pero imaginemos por un momento que pudiéramos construir un diagrama de cableado completo de un cerebro humano – esto es,  cartografiar con detalle cada uno de los aproximadamente cien mil millones  de sinapsis y las aproximadamente cien mil millones de neuronas junto con todos los mecanismos de apoyo, incluso los más pequeños. ¿Que podría significar esto?. ¿Sería siquiera posible?.

Siga pensando en eso. Volveremos a ello en un momento. En primer lugar vamos a entrar un poco más en el fondo. El funcionamiento de un cerebro sano se basa en su red de conexiones neuronales. Las múltiples capas de conexiones y vías, como los cables de una antigua computadora central, se suman para crear una sola entidad.

Esta red de conexiones ha sido llamado el "conectoma" por los científicos. Mapearlo es esencialmente construir el diagrama de cableado del cerebro. El conectoma del cerebro humano no ha sido completamente mapeado ni a escala celular, ni a escala macro (a escala estructural y funcional de alto nivel), a pesar de que  los esfuerzos para conseguir este último están mucho más avanzados que el anterior, que únicamente ahora está empezando a ser una posibilidad (seguiremos hablando de esto más adelante).

Ambas vías del estudio del conectoma prometen todo tipo de revelaciones sobre cómo funciona el cerebro. El proyecto Human Connectome, que es un esfuerzo internacional para mapear los conectomas de 1.000 personas en una escala macro - en su mayoría sólo la sustancia blanca, o los haces activos de células nerviosas mielinizadas (aisladas) - utilizando imágenes de resonancia magnética, esta semana anunció su constatación de que los patrones de cableado del cerebro se correlacionan con los rasgos de comportamiento y demográficos.


Un conectoma generado por resonancia magnética funcional
 del cerebro humano 
que muestra las conexiones
 entre las neuronas activas


El estudio encontró que en una muestra de 460 personas de edades comprendidas entre 22 y 35 años, las personas con más educación, mejor resistencia física, memoria superior a la media, y otros rasgos "positivos" parecen tener cerebros más fuertemente conectados que las  personas con rasgos "negativos" tales como el comportamiento agresivo, o un historial de consumo de drogas de diversos tipos. Los resultados no indican si uno causa lo otro, pero sí muestran que los patrones de conectividad podrían ayudar algún día a predecir los rasgos u ofrecer amplios indicadores de los efectos de las drogas en el cerebro.

Todo está conectado


Jeff Lichtman es un profesor de la Universidad de Harvard. Es uno de los principales investigadores del mundo en neurobiología, que analiza el cerebro y el sistema nervioso de los animales y los seres humanos en términos de su anatomía y fisiología (es decir, sus células y tejidos, y la forma en que funcionan y se organizan). Dirige el Laboratorio Lichtman de la Universidad de Harvard. Su interés en el tema comenzó cuando estaba siguiendo un curso sobre histología - el estudio de los tejidos del cuerpo - en la escuela de medicina.

Durante la parte clínica del curso - la que se  adentra en la patología, o el estudio de los trastornos / enfermedades en los tejidos corporales - le llamó la atención que no hubiera señal física de lo que está mal en trastornos como el autismo, la esquizofrenia, el trastorno bipolar y otras enfermedades del sistema nervioso. "Este era muy diferente de todos los otros sistemas de órganos, donde si nos fijamos en el tejido hay algo para ver que es el equivalente físico o el correlato de la enfermedad," nos dice Lichtman. “Siempre hay una anomalía física como una inflamación o una decoloración. Pero no es así para la mayoría de las enfermedades y trastornos que afectan el cerebro”.

"Después de un tiempo me di cuenta de que la razón por la que no hay anomalías no es que realmente no las haya, sino que nadie había observado  el cerebro con el  nivel de resolución con el que tendría que mirar para ver estas anomalías" indicaba Lichtman.

El cerebro es mucho más complicado que cualquier otro órgano, por tanto, no es sólo una cuestión de acercar más la lente - a pesar de que también es necesario-. "Podemos tomar una sola sección a través de un trozo de cerebro y mostrar una sinapsis" explica Lichtman. "Pero el cerebro funciona en virtud de estas conexiones que permiten a una célula nerviosa hablar con muchas otras células nerviosas, algo así como una cuenta de Twitter, y cada célula nerviosa es también el destinatario de una red de información de miles de otras células nerviosas. "

Como estudiante graduado, Lichtman estudió el sistema nervioso periférico de los bebés humanos y otros mamíferos bebés. Observó la intensidad del recableado del sistema nervioso cuando los bebés se están desarrollando, y a continuación, desarrolló una técnica para mapearlo utilizando colores. Pero no hay suficientes colores para mostrar todos los cables en la corteza cerebral. Se necesitaba otro método.


Se utilizó aquí la técnica Brainbow de Lichtman para dar un 
código de color a cada uno de los cables en 
(a) oído de un ratón, (b) tracto axonal del tronco cerebral, y
 (c) giro dentado del hipocampo, como parte de un estudio de 2008.



El tamaño importa


Sólo se ha mapeado hasta el momento el  conectoma completo de un animal: el gusano redondo C. Elegans, que tiene tan sólo 302 neuronas y sirve como modelo para la investigación y el intercambio de datos. Pero los investigadores también están haciendo un esfuerzo considerable para el mapeo del  conectoma del ratón, ya que los ratones son de fácil acceso en el laboratorio y sirven como modelos animales para muchos tipos de estudios médicos.

A principios de este año, Lichtman y 20 de sus colegas, en un trabajo dirigido conjuntamente por la Universidad de Harvard y la de Boston, eligieron el conectoma del ratón para mostrar la última tecnología de obtención de  imágenes. En esencia, encontraron una manera de adaptar la microscopía electrónica, que baja a resoluciones nanométricas, para obtener imágenes del cerebro. Y pusieron a prueba la tecnología en una pequeña porción de la corteza cerebral de un ratón adulto, obteniendo nuevos conocimientos sobre la compleja relación entre los axones (fibras nerviosas) y las dendritas (ramas de las neuronas que actúan un poco como enchufes eléctricos).

Lichtman cree que esta tecnología puede ayudar con muchos estudios clínicos, tales como uno que su laboratorio está desarrollando en la que explora la diferencia en los cerebros de ratones sanos y aquellos que tienen un equivalente de un gen humano relacionado con  el trastorno del autismo que aparece en el  síndrome de Rett, un raro desorden en el  desarrollo neural.

Una parte clave de la ciencia se desarrolla no sólo con las hipótesis que se ponen a prueba, sino también con las preguntas que se suscitan. Y la proyección de imágenes del cerebro a nanoescala promete abrir un nuevo mundo de preguntas acerca de la función y la estructura del cerebro a nivel celular y subcelular.

El principio de la investigación para mapear el conectoma humano es la cuestión de cómo se almacenan los recuerdos. "Tenemos todas estas experiencias de nuestra vida que están básicamente allí para siempre", afirma Lichtman. "Nunca vamos a deshacernos de ellas. Es posible que tengamos problemas para recordar ciertas cosas, pero una vez que el recuerdo aparece, se instala en la conciencia, lo que significa que está almacenado en el cerebro de alguna forma. Es casi seguro que se almacena en una forma en la cual las células nerviosas particulares están conectadas entre sí en pequeñas redes. Pero nadie sabe cómo se codifica realmente esa información. "

El mapeo de los cables del cerebro quizá podría proporcionar la respuesta - la cual Lichtman espera  que sea algún tipo de algoritmo de aprendizaje que registre las  caras, formas, objetos, texturas, sonidos, nombres, o cualquier otra cosa y las convierta en señales eléctricas y cableado de soporte.

Lichtman también está interesado en ver si los diagramas de cableado pueden mostrar por qué y cómo se producen los cambios en el cerebro a medida que envejecemos. Se sospecha que los cerebros viejos pueden tener diagramas de cableado más sencillos que los de las personas  más jóvenes, y la cartografía del conectoma - en particular en las resoluciones más finas - podría tener la respuesta.


Una vista del súper primer plano reconstruido de las sinapsis
 en una de las dendritas, 
con las vesículas sinápticas
 (pequeños puntos blancos que almacenan neurotransmisores) 

también visibles



Datos Masivos (Big Data)


Como mínimo, este diagrama de cableado del cerebro proporcionará una gran cantidad de datos. Lo que podríamos llamar Datos Masivos o Big Data. Es necesario mirar en cada milímetro cúbico de cerebro para ver todas las sinapsis, lo que es necesario para mapear el conectoma del cerebro en su totalidad. "En un milímetro cúbico de cerebro hay unos dos terabytes de datos de imagen", afirma Lichtman. "Creo que los originales de Google Maps estaban en el rango de varios terabytes y cubrían todo el planeta." A partir de agosto del 2012, Google Maps requería alrededor de 20 petabytes, o 20.500 terabytes, e incluía las imágenes combinadas obtenidas por satélite, por vía aérea y las  imágenes de calle.

Un cerebro humano tiene mas o menos del orden de un millón de milímetros cúbicos, lo que significa que se necesitaría alrededor de dos millones de terabytes para almacenar un mapa de sus cables. Dos millones de terabytes son alrededor de dos mil petabytes, o dos exabytes. "Eso es un número muy grande", señala Lichtman. "Incluso hoy en día. Incluso para Google."

Es tan grande, incluso, que la mayoría de la gente no puede comprenderlo. Incluso ese conectoma de 302 neuronas del gusano  C. Elegans es demasiado para la mayoría de la gente, y es más del orden de 12 terabytes. "No se puede pedir un pequeño conjunto de datos [conectoma] menor que ese, y es increíblemente complicado", afirma Lichtman. No se puede simplemente mirar y decir, 'Oh, ahora entiendo como los gusanos nadan y por qué tienen un movimiento sinusoidal cuando se mueven en el suelo o por qué retroceden cuando algo nocivo golpea su nariz'. Está ahí, pero no se puede mirar y decir: “lo veo".

Si usted creció en un mundo en el que un megabyte es un gran conjunto de datos, es probable que no tenga ninguna esperanza de comprender la escala del conjunto de datos del conectoma humano. Si cumplió su mayoría de edad en este milenio, es probable que le sea algo más fácil, debido a que su cerebro podría estar conectado de manera diferente, pero Lichtman advierte de que podemos estar cruzando un umbral importante en el desarrollo humano, no sólo en la neurociencia o la ciencia de manera más amplia, sino en todo, desde la política a la economía y  a la religión.

"La mayor víctima de los grandes volúmenes de datos son las grandes ideas, en el sentido de que no hay grandes ideas que abarquen los datos", dice. "Los datos son más complicados que los pensamientos de la mayoría de la gente". Básicamente, hay demasiadas variables e interacciones complejas para que nosotros podamos tenerlo en nuestras cabezas.

Con la muerte de las grandes ideas podría venir un cambio fundamental en la experiencia humana, en la que no entendamos ni creamos lo suficiente  como para dirigir el análisis y el seguimiento de los datos. Lo que estamos observando al encontrarnos  con grandes volúmenes de datos es una división entre la comprensión y el análisis. Podemos simular, modelar y analizar con los ordenadores, pero ya no podemos estar seguros acerca de la comprensión de los resultados en su totalidad.

Las neuronas de ratón reconstruidas (las manchas grandes) 
con sus dendritas




¿El hombre o la máquina?


Ese no es el único cambio potencial que Lichtman ve en el horizonte. Como sugieren las relaciones con el comportamiento recién descubiertas, la cartografía del cerebro podría transformar radicalmente la forma en que atendemos a la gente. A medida que vayamos desmitificando el cerebro con estos diagramas de cableado, advierte, "prácticamente todo el comportamiento puede comenzar a ser juzgado basado en la máquina que está causando dicho comportamiento. La criminalidad se convertiría en sólo un comportamiento esperado dada la condición inicial de dicho cerebro en particular."

Las concepciones de la libre voluntad podrían evaporarse, y las creencias filosóficas y religiosas muy arraigadas podrían ser desafiadas desde su núcleo. Esta no es razón suficiente para abandonar la investigación, ya que la recompensa – conocer el funcionamiento secreto de nuestra mente – es enorme, pero es motivo de preocupación, y un posible desafío ya que, según Lichtman, es un campo de estudio muy caro y que avanza muy lentamente.

Lo que sabemos ahora sobre el cerebro es infinitesimalmente pequeño en relación con el cuadro completo. Lichtman dice que el estudio sobre el neocórtex cerebral del ratón para obtener imágenes a nanoescala abarca apenas la tres mil millonésima parte o incluso menos del volumen del cerebro estudiado.

Esa escala hace que sea un punto algo controvertido en la ciencia, ya que parece una hazaña imposible, el conseguir trazar todo un cerebro humano a nivel celular. Pero Lichtman dice que este tipo de trabajo en general es objeto de controversia por una razón más fundamental.

Buscando una descripción


La ciencia es tradicionalmente experimental, mientras que la cartografía del conectoma es descriptiva. Los experimentos prueban las ideas y manipulan las cosas.  Los proyectos descriptivos como éste o el telescopio espacial Hubble, o todo el campo de la arqueología, por el contrario, simplemente observan. Son únicamente herramientas de valoración: ¿Qué es lo que hay?

Para muchas personas esto suena perfectamente razonable, pero Lichtman dice: "Una gran cantidad de personas en las ciencias biomédicas pueden pensar que los humanos estamos de alguna manera allá de toda descripción." En su lugar, deberíamos estar manipulando cosas - la anulación de los genes, la adición de productos químicos, la activación de las células nerviosas. No preguntándonos qué desconocidos e  inauditos misterios permanecen en las profundidades del cerebro.

Ese cilindro en el centro de la imagen es el pequeño trozo,
del tamaño de milímetros cúbicos, 
del neocórtex de ratón,
estudiado como un caso experimental para la tecnología
 de imágenes cerebrales a nanoescala.



Lichtman compara la neurociencia en general con una escalera con un millón de peldaños. Para obtener un mapeo completo del cerebro humano hemos de llegar al final de la escalera. "Nosotros tal vez hemos subido un peldaño más", dice, "pero esa es la meta para convertir este campo en algo lo suficientemente productivo, que sea capaz de generar suficientes datos, como para poder empezar a acercarse a estos profundos misterios sobre el cerebro."

En verdad, probablemente sabemos más sobre el universo más allá de nuestra Tierra que sobre eso que se encuentra entre nuestros oídos. Y  precisamente por eso, Lichtman y sus colegas que trabajan en el mapeo del conectoma, perseveran. "Mientras que veamos cosas que nunca hemos visto antes, mientras que descubramos cosas que se vean diferentes de lo que esperábamos, debemos seguir haciéndolo", dice. "Obviamente, porque estamos desvelando una visión de cosas que eran un misterio."

"Una vez que entendamos algo tan bien que ya no haya nada nuevo que aprender y todo sea lo mismo, entonces sí, tal vez es hora de parar. Pero estamos lejos, muy lejos de ese punto."