Aún no tenemos un mapa astronómico de los cielos con el detalle de todas
sus estrellas, sin embargo, gracias a un estudio trascendental publicado en Neuron, ahora ya tenemos uno de un cerebro muy complejo.
Si cada neurona fuera una galaxia, entonces las sinapsis (estructuras
pequeñas diseminadas a lo largo de las extensiones serpentinas de las neuronas)
serían sus estrellas. En un
tour-de-force técnico, un equipo de la Universidad de Edimburgo en el Reino
Unido construyó el primer mapa detallado de cada sinapsis existente en el
cerebro del ratón.
Usando ratones genéticamente modificados, el equipo literalmente hizo que
cada sinapsis del cerebro se iluminara con luz fluorescente al igual que una noche estrellada. Y, al igual que difieren las
estrellas, el equipo descubrió que las sinapsis son muy variadas, pero siguiendo
unos patrones sorprendentes que podrían
respaldar la formación tanto de la
memoria como del pensamiento.
"Hay más sinapsis en el cerebro humano que estrellas en la galaxia.
El cerebro es el objeto más complejo que conocemos y entender sus conexiones a
este nivel es un gran paso adelante para desentrañar sus misterios ", expuso
el Dr. Seth Grant autor principal de la
publicación.
El detalle de los mapas obtenidos reveló una ley fundamental de la
actividad cerebral. Con la ayuda de la Inteligencia Artificial, el equipo
clasificó aproximadamente mil millones de sinapsis, detectadas en el cerebro,
en 37 subtipos. Aquí está la clave: cuando un
conjunto de neuronas recibe información mediante activación eléctrica, tal
como tratar de decidir entre diferentes soluciones para un problema, los
subtipos únicos de sinapsis repartidos entre diferentes neuronas se activan a
la vez.
En otras palabras: las sinapsis se diferencian en tipos. Y cada tipo podría
generar un pensamiento, una decisión o un recuerdo.
El interés del equipo en la construcción del "sinaptoma" -el
primer catálogo completo de sinapsis en el cerebro del ratón- provino de un
proyecto mucho más grande: el Conectoma.
En pocas palabras, el Conectoma son todas las conexiones neuronales
dentro de un cerebro. Según lo expresa el Dr. Sebastian Seung en una charla de TED, el conectoma es la base biológica de lo que somos: los recuerdos, la personalidad,
y cómo se razona y se piensa. Si se captura el conectoma de un ser vivo, algún día los científicos podrán
reconstruirlo, algo que se conoce como emulación cerebral completa.
Sin embargo, el conectoma solo describe cómo las neuronas se comunican
funcionalmente entre sí. ¿Pero en qué parte del cerebro está físicamente
codificado un pensamiento o un recuerdo?
Y aquí entran las sinapsis. Los neurocientíficos saben desde hace tiempo
que las sinapsis transmiten información entre las neuronas mediante neurotransmisores
y electricidad. También ha habido indicios de que las sinapsis son muy diversas
en términos de qué proteínas contienen, pero tradicionalmente esta diversidad
habia sido ignorada. Hasta hace poco, la mayoría de los científicos creían que el
tratamiento de la información ocurría en
el cuerpo neuronal, la parte central de una neurona desde la cual se extienden
las ramas.
Hasta ahora, no se tenía una forma de ver la morfología y la función de
las sinapsis en todo el cerebro, según los investigadores. Mas bien, la
investigación se había centrado en el mapeo en pequeñas áreas de estos puntos
de conexión cruciales.
MAPA DE LAS SINAPSIS O SINAPTOMA
Para construir el sinaptoma de ratón, los investigadores desarrollaron
una estrategia que denominaron SYNMAP. Comenzaron con ratones genéticamente
modificados, cuyas sinapsis brillan en diferentes colores. Cada sinapsis contiene
en su estructura proteínas que las
diferencian. Entre ellas, las proteínas denominadas PSD-95 y SAP102 son dos de
los miembros más destacados. Los investigadores agregaron proteínas con luminiscencia a estos
dos tipos de proteínas para que esencialmente actuaran como antorchas para
iluminar cada sinapsis en el cerebro.
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| Estrategia del mapeo del sinaptoma: El equipo primero modificó el genoma del ratón generando sinapsis que aparecían brillantes bajo luz fluorescente. |
Luego, cortaron laboriosamente el cerebro en rodajas, y usaron un
microscopio para capturar imágenes de sinapsis en diferentes regiones
cerebrales y reconstruyeron la anatomía cerebral a partir de las imágenes obtenidas.
Una imagen de un conjunto de sinapsis aparece como un mapa estelar
densamente empaquetado a ojos de una persona
inexperta. Categorizar cada sinapsis va más allá de la capacidad (y del
tiempo disponible) de cualquier investigador humano, por lo que el equipo
aprovechó las nuevas técnicas de Inteligencia Artificial y desarrolló un algoritmo que podía analizar
estos datos (más de 10 terabytes) sin supervisión humana.
Un Conectoma Físico
Desde el principio, el equipo quedó impresionado por los "patrones
exquisitos" que formaban las sinapsis luminiscentes. Una proteína,
etiquetada como PSD-95, se expresó con intensidad en las regiones más
exteriores del cerebro donde ocurren las funciones cognitivas superiores. Aunque hay
superposición, la otra proteína luminiscente utilizada prefirió regiones mas interiores del
cerebro.
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| Mapeo de escala cerebral completa: Las imágenes de microscopio que muestran las dos proteínas de sinapsis luminiscentes, PSD-95 y SAP102, en distintas secciones del cerebro. |
Cuando examinaron con detalle las imágenes obtenidas, los investigadores descubrieron
que las dos proteínas luminiscentes representaban diferentes conjuntos de
sinapsis. Cada región del cerebro expresaba una "firma de sinaptoma"
característica. Al igual que las huellas dactilares que difieren en forma y
tamaño, las varias regiones cerebrales también parecían contener sinapsis que
difieren en su composición, tamaño y número de proteínas.
Utilizando un algoritmo de Inteligencia artificial desarrollado
internamente, el equipo clasificó las sinapsis en 37 subtipos.
Sorprendentemente, las regiones del cerebro relacionadas con el razonamiento
superior y las capacidades de pensamiento también contenían la población de
sinapsis más diversa, mientras que las "regiones de cerebro de
reptiles", como el tronco cerebral, eran más uniformes en el subtipo de
sinapsis.
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Mapas de subtipos dominantes de Sinaptoma:
Un gráfico de una sección transversal del cerebro
que muestra algunos de los subtipos de sinapsis más comunes en cada área.
Cada color representa un subtipo de sinapsis diferente.
El recuadro enmarca el hipocampo.
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¿Por qué?
Para dilucidar si la diversidad de las sinapsis ayuda con el
procesamiento de la información, el equipo utilizó simulaciones por ordenador
para ver cómo las sinapsis responderían a los patrones eléctricos comunes
dentro del hipocampo, la región en forma de caballito de mar crucial para el
aprendizaje y la memoria. El hipocampo fue una de las regiones que mostró una
diversidad notable en los subtipos de sinapsis, con cada uno de los subtipos expresándose
en patrones llamativos a través de esta estructura cerebral.
Sorprendentemente, cada tipo de procesamiento de información eléctrica se
traduce en un mapa de sinaptoma único: si cambia el impulso eléctrico, cambia
el sinaptoma. Ello sugiere que el cerebro puede procesar información eléctrica
múltiple usando la misma región del cerebro, porque se activan diferentes
sinaptomas.
El equipo encontró resultados similares al analizar los patrones eléctricos registrados en ratones que
intentaban elegir entre tres opciones para obtener una recompensa. Se
iluminaron diferentes sinaptomas si la elección era correcta versus la elección
incorrecta. Al igual que un mapa en pensamientos internos, los sinaptomas
dibujaron una imagen vívida de lo que el ratón estaba pensando cuando hizo su
elección.
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Comportamiento y fisiología de la función del mapa de sinaptoma:
Cada comportamiento activa un sinaptoma particular.
Cada sinaptoma es como una huella digital única de un proceso de pensamiento.
Reprogramación del Sinaptoma
Al igual que con un programa de ordenador, un sinaptoma parece subyacer a
un resultado: una decisión o pensamiento. Entonces, ¿qué pasa si el código está
corrompido?
Las enfermedades psiquiátricas a menudo tienen causas genéticas que
afectan a las proteínas en la sinapsis. Usando ratones que mostraban síntomas
similares a la esquizofrenia o el autismo, el equipo mapeó su sinaptoma y
descubrió cambios dramáticos en la estructura y conexión de los diversos
subtipos de sinapsis del cerebro.
Por ejemplo, en respuesta a ciertos patrones eléctricos cerebrales
normales, en los ratones mutantes, con enfermedades psiquiátricas provocadas, algunos
mapas de sinaptomas solo surgieron débilmente, mientras que otros se volvieron
anormalmente fuertes.
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| Reprogramación de Sinaptoma: Las mutaciones pueden cambiar el sinaptoma y conducir potencialmente a trastornos psiquiátricos |
Parece que ciertas enfermedades psiquiátricas "reprograman" el
sinaptoma, concluyeron los investigadores. Los mapas de sinaptoma más fuertes o
distintos podrían, de hecho, ser la razón por la cual los pacientes con
esquizofrenia experimentan delirios y alucinaciones.
Entonces, ¿somos nuestro Sinaptoma?
Quizás. Nuestra esencia, esto es, nuestros recuerdos, o nuestros patrones
de pensamiento, parece estar grabada en cómo las diversas sinapsis se activan
en respuesta a un estímulo eléctrico. Al igual que una huella dactilar para
recuerdos y decisiones, los sinaptomas podrían "leerse" a posteriori,
para descifrar ese pensamiento.
Pero como reconocen los investigadores, el estudio es solo el comienzo.
Junto con la publicación científica, el equipo lanzó una herramienta llamada Synaptome
Explorer para ayudar a los neurocientíficos a analizar las intricadas conexiones entre las sinapsis y el
comportamiento.
"Este nueva forma de analizar el cerebro abre nuevas vías a investigaciones que deberían transformar nuestra comprensión
del comportamiento y la enfermedad cerebral" según Grant.
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