lunes, 1 de agosto de 2016

Un nuevo mapa del cerebro humano identifica 180 áreas en la corteza cerebral






Nuestros rasgos humanos más singulares, como el lenguaje y el pensamiento abstracto, tienen su origen en la corteza cerebral. Esta hoja arrugada de materia gris comprende casi el 80 por ciento de nuestra masa cerebral con un estimado de 16 mil millones de neuronas que llena  sus dos hemisferios. Debido a que el estudio de este mapa neuronal complejo ha sido tan increíblemente difícil, los intentos anteriores de mapeo obtuvieron unos resultados muy limitados.

Un nuevo mapa detallado obtenido por investigadores de la Escuela Universitaria de Medicina de Washington en St. Louis y asociados  establece el mapa de 180 áreas de la corteza cerebral en minucioso detalle; 97 de estas áreas no se habían descrito anteriormente.


El nuevo mapa está destinado a ayudar a los investigadores que estudian los trastornos cerebrales como el autismo, la esquizofrenia, la demencia y la epilepsia. Estos investigadores podrán utilizarlo para comprender las diferencias en los cerebros de pacientes con estas enfermedades, en comparación con los adultos que están sanos. También ayudara a acelerar los avances en descifrar el funcionamiento del cerebro sano y aumentará el conocimiento de lo que nos hace únicos como especie, dicen los investigadores. El nuevo mapa también será de vital importancia para los neurocirujanos.


Un nuevo mapa detallado realizado por investigadores de la Escuela Universitaria de Medicina de Washington en St. Louis establece el mapa de la corteza cerebral. Las 180 áreas delimitadas e identificadas en ambos hemisferios izquierdo y derecho se muestran en superficies corticales planas y en volumen. Los contornos negros indican las fronteras de cada área. Los colores indican el grado en que las zonas están asociadas en el estado de reposo con grupos de áreas  auditivas (rojo), somatosensoriales (verde), visuales (azul), tareas positivas (más o menos blanco), o tareas negativas (más o menos negro). El texto en la parte inferior derecha ilustra el eje espacio  color en 3D utilizado en la imagen. Datos en http://balsa.wustl.edu/WN56. (Imagen: Matthew F. Glasser et al./Nature)

El cerebro se parece a una extensión amorfa de pliegues y bultos, pero en realidad está descuartizado en territorios invisibles. Cada uno está especializado: Algunos grupos de neuronas se activan cuando reconocemos caras, otros cuando leemos, otros cuando se levantan nuestras manos.

El 20 de julio del 2016, en lo que muchos expertos llaman un hito en la neurociencia, los investigadores publicaron en la revista Nature, un espectacular nuevo mapa del cerebro, que detalla casi 100 regiones previamente desconocidas - una incursión sin precedentes en la maquinaria de la mente humana.


Un nuevo mapa basado en datos recogidos de escáneres cerebrales
 por el proyecto Conectoma Humano.
Los datos revelaron 97 nuevas regiones, llevando el total a 180.

Imagen:  Matthew F. Glasser, David C. Van Essen

Los científicos se basan en esta guía en su intento de entender prácticamente todos los aspectos del cerebro, desde la forma en que se desarrolla en los niños y evoluciona a lo largo de décadas, a la forma en que puede ser corrompido por enfermedades como el Alzheimer y la esquizofrenia.

"El cerebro no es como un ordenador que puede soportar cualquier sistema operativo y ejecutar cualquier software", dijo Van Essen, profesor de Neurociencia de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington. "Por el contrario, el software - cómo funciona el cerebro - está íntimamente correlacionado con la estructura del cerebro, su hardware, por así decirlo. Si se quiere saber lo que el cerebro puede hacer, tenemos primero que entender cómo se organiza y se cablea".

Los científicos crearon el mapa con escáneres avanzados y equipos que ejecutan programas de inteligencia artificial que "aprendieron" a identificar las regiones ocultas del cerebro a partir de grandes cantidades de datos recogidos de cientos de sujetos de prueba, un esfuerzo mucho más sofisticado y más amplio que todo lo que se había intentado anteriormente.

Aunque es un avance importante, el nuevo atlas no es la última palabra sobre el funcionamiento del cerebro. Pueden pasar décadas hasta que los científicos puedan averiguar lo que cada región está haciendo, y mucho más queda por ser descubierto en las próximas décadas.

El último mapa del cerebro




"Este mapa se debe considerar como la versión 1.0," dijo Matthew F. Glasser, un neurocientífico de la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington y autor principal del nuevo estudio. "Puede haber una versión 2.0 cuando se consigan mas datos y se interpreten mejor. Esperamos que el mapa vaya evolucionando a medida que la ciencia progresa".

Los primeros indicios de la geografía oculta del cerebro surgieron hace más de 150 años. En la década de 1860, el médico Pierre  Broca estaba intrigado por dos de sus pacientes que no eran capaces de hablar. Tras su muerte, Broca examinó sus cerebros. En la capa externa, llamada la corteza, se encontró que ambos habían sufrido daños en la misma zona de tejido. Esa región llegó a ser conocida como el área de Broca. En las últimas décadas, los científicos han encontrado que esta área se activa cuando las personas hablan y cuando tratan de comprender el habla de otras personas.

A finales de 1800, un grupo de investigadores alemanes identificó otras regiones de la corteza, cada uno con distintos tipos de células empaquetadas juntas de forma única. En 1907, Korbinian Brodmann publicó un catálogo de 52 regiones del cerebro.

Los neurocientíficos se han basado en su mapa dibujado a mano desde entonces, añadiendo un pequeño número de nuevas regiones con sus propias investigaciones. "Este es el estándar para dónde nos encontramos en el cerebro", dijo el Dr. Glasser.





Las areas de Brodmann (Imagen: Mark Dow)
El nuevo estudio está destinado a sustituir los mapas anteriores, como el mapa de Korbinian Brodmann  de la corteza cerebral humana, creada en la primera década del siglo XX , en el que se identificaron 50 regiones.

 "Mi primer trabajo sobre la conectividad del lenguaje consistió en tomar ese mapa de 100 años de antiguedad y tratar de adivinar donde estaban las áreas de Brodmann que se correlacionaban con las redes que soportaban el lenguaje," dijo Matthew Glasser "Rápidamente se hizo evidente para mí que necesitábamos una mejor forma de mapear las áreas en los cerebros vivos que estábamos estudiando."

Hace tres años, el Dr. Glasser y sus colegas se propusieron crear un nuevo estándar. Ellos se basaron en los datos recogidos por el Proyecto Conectoma Humano, en el que se estudiaron  1.200 voluntarios con nuevos y potentes escáneres. Los investigadores utilizaron estas imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) para caracterizar la actividad cerebral mientras que las personas escuchaban historias, daban  cuenta de ecuaciones matemáticas, y reaccionaban ante expresiones faciales.

El equipo del proyecto registró imágenes de alta resolución del cerebro de cada participante y, a la vez, registró su actividad en la memoria, el lenguaje y otros tipos de pensamiento durante el tiempo de la prueba.

Hasta ahora, la mayoría de los mapas cerebrales se han basado en un único tipo de medición. Para el nuevo mapa, los investigadores reunieron datos de 210 adultos jóvenes sanos de ambos sexos, combinando las medidas del grosor de la corteza y la cantidad de aislamiento alrededor de los cables neuronales, utilizando imágenes por resonancia magnética del cerebro en reposo y del cerebro para realizar tareas simples, como escuchar una historia. La información también incluye mediciones de la función cerebral, la conectividad entre las regiones, la organización topográfica de las células en el tejido cerebral, y los niveles de mielina, que acelera la señalización neural.

En intentos anteriores para trazar un mapa de la corteza, los científicos habían mirado sólo a un tipo de evidencias cada vez - por ejemplo, las disposiciones de las células-. El proyecto Conectoma Humano ha hecho posible el estudio del cerebro con mucho más detalle.

El hemisferio izquierdo de la corteza del cerebro,
que muestra las zonas con alta densidad de mielina en rojo y amarillo,
 y las zonas con baja densidad de mielina en índigo y azul.
Imagen:  Matthew F. Glasser, David C. Van Essen
Además de analizar la actividad del cerebro, los científicos, también registraron su anatomía. Por ejemplo, midieron la cantidad de mielina, una sustancia grasa que aísla las neuronas. Encontraron fuertes contrastes en los niveles de mielina de una región de la corteza a la siguiente.

"Tenemos 112 tipos diferentes de información que podemos aprovechar", dijo David C. Van Essen, un investigador principal del Proyecto Conectoma Humano en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington. Usando estas variables, los científicos entrenaron un ordenador con los datos de 210 cerebros para reconocer regiones discretas de la corteza. Una vez que el ordenador perfiló las combinaciones distintivas de la mielina, la actividad y otras características, lo probaron en  210 cerebros humanos vivos.

El equipo identificó las regiones nuevas en el cerebro en un 96,6 por ciento de las veces. Los científicos descubrieron que se requiere sólo un pequeño número de características para mapear el cerebro. Esto significa que los investigadores podrán utilizar su método para mapear el cerebro de un individuo en poco más de una hora de exploración.

El mapa producido por el equipo incluye 83 regiones conocidas, como el área de Broca, y también incluye 97 que eran desconocidas, o simplemente se habían olvidado.




Un estudio del cerebro que muestra el patrón de activación cerebral
 en el hemisferio izquierdo al escuchar historias mientras se está en un escáner.
 Imagen:  Matthew F. Glasser, David C. Van Essen

 En la década de 1950, por ejemplo, los investigadores alemanes notaron una zona en el lado del cerebro en la que las neuronas tenían poca mielina, en comparación con las regiones vecinas. Sin embargo, el hallazgo fue pronto olvidado. El equipo volvió a descubrir este raro  territorio, y el Dr. Van Essen y sus colegas encontraron que se convierte en inusualmente activo cuando las personas escuchan historias. Ese hallazgo sugiere que la región, lo que ellos llaman 55b, es parte de una red de lenguaje en el cerebro, junto con el área de Broca.

En otras partes de la corteza, los científicos fueron capaces de dividir las regiones identificadas previamente en otras más pequeñas. Por ejemplo, descubrieron que una región grande cerca de la parte delantera del cerebro, la corteza prefrontal dorsolateral, realmente se compone de una docena de zonas más pequeñas. La región se activa durante muchos tipos diferentes de pensamiento, que van desde la toma de decisiones a la decepción. Es posible que cada una de las partes más pequeñas recientemente identificadas sean importantes para cada una de esas tareas.

En el nuevo mapa, algunas de las 180 áreas identificadas están claramente implicadas en tareas especiales, como por ejemplo la 55b, que se ilumina con la actividad cuando una persona escucha una historia. Otras contienen un mapa del campo de visión de una persona, o están involucradas en el control del movimiento. Pero la mayoría de las áreas probablemente nunca serán identificadas con una sola función, porque no hacen una sola cosa, sino que coordinan la información de muchas señales diferentes.

El programa informático desarrollado por los científicos llegó a ser tan hábil en la cartografía de la corteza que podía identificar las regiones ocultas aun cuando tuvieran formas inusuales. Doce de los sujetos de investigación, por ejemplo, tienen una región 55b que está dividida en dos zonas aisladas. (Los investigadores no saben si esto afecta a cómo los sujetos utilizan el lenguaje.)

Curiosamente, determinadas zonas de la corteza cerebral parecen cambiar de lugar entre sí en algunas personas. Los investigadores encontraron que incluso en aquellos cerebros atípicos, aún podían identificar correctamente casi todas las áreas asignadas. A medida que la ciencia avanza, será fascinante conocer cómo surgen esas diferencias fundamentales en el cerebro y lo que podría significar para la función cerebral.

Hasta ahora, se habían elaborado muchos otros mapas de la corteza, que muestran entre 50 y 200 zonas diferentes. Pero los investigadores dicen que han mejorado los mapas anteriores al alinear con precisión los cerebros a un sistema de coordenadas común previo al análisis, utilizando un algoritmo desarrollado por sus colegas de la Universidad de Oxford, y mediante la incorporación de los datos de resonancia magnética de más alta calidad disponible. Los investigadores también comprobaron que su método podría aplicarse a distintas personas, y lo comprobaron mediante la producción de mapas del cerebro de un conjunto diferente de 210 adultos jóvenes sanos.

Guiando a los neurocirujanos


El resultado de este trabajo científico  es un mapa preciso con bordes inusualmente nítidos y un algoritmo capaz de localizar las áreas en los cerebros individuales, a pesar de que cada individuo es único en términos del patrón de pliegues corticales y en el tamaño y forma de las áreas en el mapa cortical.

"En el pasado, no siempre estaba claro si los resultados de dos estudios distintos de neuroimagen se referían a la misma área o no", dijo Glasser. Al utilizar el nuevo mapa y el algoritmo de alineación, los resultados de estudios distintos se pueden comparar con una mayor precisión.

Unos mapas individuales del cerebro más precisos podrían ayudar a los neurocirujanos a no dañar las áreas más importantes, tales como las implicadas en el lenguaje o la función motora, y podrían guiar en el tratamiento de enfermedades neurológicas o psiquiátricas. Los diferentes tipos de demencia, por ejemplo, se caracterizan por la degeneración de diferentes áreas del cerebro. Los médicos podrían usar los mapas individuales para personalizar el tratamiento, basado en las áreas afectadas, o para monitorizar la respuesta al tratamiento.

Abriendo expectativas


"El siguiente paso es ver lo que este conocimiento puede hacer por nosotros en términos de adquirir más capacidad mental", dijo Emily S. Finn, una estudiante graduada en la Universidad de Yale que ha utilizado los datos del proyecto Conectoma Humano para encontrar vínculos entre la actividad cerebral y la inteligencia.

El Dr. Kleinfeld predijo que otros investigadores serán capaces de encontrar las maneras de verificar la exactitud del nuevo mapa. Una comprobación genética, por ejemplo: Si 180 regiones de la corteza realmente son distintas, entonces las neuronas en cada una compartirán una combinación distinta de genes activos. "Nos podemos imaginar yendo  a estas 180 regiones, tomando una pizca de tejido, y viendo si  realmente se puede comprobar que son genéticamente diferentes", dijo el Dr. Kleinfeld.

Muchos expertos creen que el cerebro, en una inspección más profunda, va a llegar a ser un colectivo aún mayor de regiones que de alguna manera cooperan para el bien común. "Está muy claro que muchas de esas regiones es probable que se compongan de piezas más pequeñas," dijo Danielle S. Bassett, una neurocientífica de la Universidad de Pennsylvania.

El Dr. Van Essen dijo que él y otros científicos van a utilizar el mapa para realizar un seguimiento del desarrollo de los cerebros jóvenes y para buscar cambios causados ​​por trastornos como la enfermedad de Alzheimer.

"No debemos esperar milagros y respuestas fáciles", dijo, "pero estamos posicionados para acelerar el progreso."