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Diferentes neuronas humanas estudiadas en el Instituto Allen, como parte del programa diseñado para registrar todos los diferentes tipos de células cerebrales humanas. |
Si le preguntaras a Christof Koch, Doctor, Jefe Científico y Presidente
del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, qué tan cerca estamos de
entender nuestros propios cerebros, se mostraría esquivo.
"Ni siquiera entendemos el cerebro de un gusano"
El gusano de laboratorio, más conocido técnicamente como Caenorhabditis
elegans, alberga 302 neuronas y 7,000 conexiones entre esas neuronas en su
cuerpo microscópico. Los investigadores han mapeado y descrito minuciosamente
todas esas conexiones en los últimos años. Y todavía no entendemos
completamente cómo funcionan estas neuronas y sus conexiones de manera
sinérgica para dar lugar a los comportamientos del gusano.
Los humanos tenemos aproximadamente 86 mil millones de neuronas en
nuestros cerebros, entrelazadas por un estimado de 100 billones de conexiones o
sinapsis. Es una tarea desalentadora comprender los detalles de cómo funcionan
esas células, y cómo se unen para formar nuestros sistemas sensoriales, nuestro
comportamiento, nuestra conciencia.
Koch y sus colegas en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, una
división del Instituto Allen, han reflexionado sobre cuánto aún no sabemos
sobre el cerebro; y cómo los equipos de investigación están tratando de
resolver esos misterios.
¿De qué está hecho el cerebro?
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| Reconstrucciones de neuronas humanas. |
El cerebro se compone en gran parte de materia gris y materia blanca,
tejido cerebral y sus interconexiones o haces de axones. Observándolo de cerca,
se pueden distinguir las neuronas y la glía (el otro tipo de célula cerebral).
Pero estamos lejos de comprender todos los tipos de neuronas y otras células
cerebrales respecto a lo que hacen.
"¿Cómo podemos entender todo esto si ni siquiera entendemos cuántos
componentes diferentes hay?"
Los investigadores a veces se refieren a esto como descubrir la
"tabla periódica de tipos de células cerebrales". Los químicos tienen
una tabla organizada que describe los 118 elementos químicos conocidos, los
componentes básicos de la materia, pero los neurocientíficos carecen de una
categorización tan bien definida de los bloques de construcción del cerebro.
Ordenar las neuronas no es tan simple. Los investigadores del Instituto
Allen para la Ciencia del Cerebro están utilizando varias características para
definir un tipo de célula cerebral. Los diferentes equipos del Instituto están
clasificando las células en función de los genes que activan y desactivan, sus
formas detalladas, las regiones del cerebro a las que se conectan y su
comportamiento eléctrico único. Luego viene la difícil tarea de reunir toda esa
información para definir los tipos de células cerebrales en función de todos
estos atributos.
Establecer la categorización de las partes del cerebro es necesario para
que los investigadores puedan comprender mejor qué células del cerebro podrían
ser la base de enfermedades neurológicas y psiquiátricas. Muchos trastornos
neuropsiquiátricos no afectan a todo el cerebro de manera uniforme, sino que
comienzan o son impulsados por clases específicas de
neuronas u otras células
cerebrales.
Si los investigadores compilan la lista completa de tipos de células cerebrales,
podrían ver qué tipos de células mueren, crecen sin control o cambian su curso
en ciertas enfermedades del cerebro. Los investigadores podrían construir
mejores herramientas para estudiar esas células desencadenantes de
enfermedades, y posiblemente terapias dirigidas a un solo tipo de células en el
corazón de la enfermedad.
Como parte del trabajo del Instituto Allen que estudia diferentes tipos
de células cerebrales humanas, los investigadores desarrollan herramientas
moleculares para aislar y rastrear esas células específicas. Esas herramientas
podrían diseñarse potencialmente para administrar terapias genéticas
específicas u otros tratamientos, directamente a un determinado tipo de célula.
Los investigadores del Instituto Allen ahora están colaborando con un equipo
del Instituto de Investigación Infantil de Seattle para evaluar si una de estas
herramientas podría usarse para tratar el síndrome de Dravet, una forma poco
común pero grave de epilepsia en la primera infancia que generalmente es
causada por una mutación en un solo gen y que afecta a una clase específica de
neuronas.
¿Cómo se comunican las neuronas?
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Imágenes de microscopio electrónico, o EM,
de una sección del cerebro humano generada en el Instituto Allen.
Esta técnica permite a los investigadores mapear el tejido cerebral
hasta el nivel de sus conexiones individuales, o sinapsis.
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Los libros de texto de biología nos dicen que el cerebro se comunica a
través de sinapsis, conexiones especializadas entre dos neuronas diferentes.
La mayoría de las neuronas usan una de las dos moléculas de señalización
comunes conocidas como neurotransmisores, GABA o glutamato, que se sabe que
pasan a través de sinapsis especializadas. Pero hay muchos otros tipos de
moléculas de señalización presentes en el cerebro, y no está claro cómo esas
moléculas transmiten su mensaje.
Si tomamos, por ejemplo, las moléculas sobre las que actúan la mayoría de
los fármacos neurológicos o psiquiátricos e hiciéramos un inventario de todos
los fármacos de los que la gente ha oído hablar, la mayoría de ellos no actúan
sobre el glutamato o el GABA. Con medicamentos como los opioides o
antidepresivos, en realidad no entendemos los mecanismos de las moléculas
subyacentes con las que interactúan esos medicamentos.
Es una pregunta difícil de responder porque es muy amplia. Pero los datos
recopilados a través de un proyecto colaborativo conocido como el proyecto
IARPA MICrONS podrían ayudar. Ese trabajo, que se realiza en parte en el
Instituto Allen, está creando la hoja de ruta más grande de conexiones en el
cerebro de los mamíferos, mapeando un pedazo de la corteza visual del ratón del
tamaño de un grano de arena que contiene alrededor de mil millones de sinapsis.
Una vez que esté completo, los investigadores pueden comenzar a armar el
rompecabezas de qué moléculas van con qué sinapsis.
¿Cómo computa el cerebro?
Si entender la composición del cerebro es un desafío, descubrir cómo se
unen esos miles de millones de componentes para permitir todo el complejo
comportamiento del cerebro es aún más difícil. El equipo del Allen Brain
Observatory tiene como objetivo capturar una pequeña parte de esa complejidad:
cómo el cerebro de un mamífero representa y procesa la información visual.
Los neurocientíficos han estado estudiando la parte visual del cerebro de
los mamíferos durante décadas, pero hasta hace muy poco la tecnología solo les
permitía capturar información de un puñado de neuronas a la vez. Es como si
intentaras ver una película pero solo pudieras ver 1000 píxeles de varios
millones en la pantalla. Esa es la situación que ha tenido en neurociencia
hasta hace poco. Grabas el comportamiento de un puñado de neuronas y tratas de
inferir algunos principios comunes.
Los investigadores del equipo del Observatorio ahora están registrando a
decenas de miles de neuronas mientras operan en tiempo real. ¿En cuanto a esos
principios de computación? Hasta ahora, no parece haber una respuesta simple.
¿Qué significará entender nuestros cerebros?
Cuando pensamos en entender algo, a menudo pensamos en poder explicarlo
de una manera relativamente simple. En ciencia, los investigadores en otros
campos ven a la física como un modelo de comprensión. El mundo físico se presta
a abstracciones que pueden resumirse en ecuaciones (relativamente) simples.
Pero, ¿y si la biología no lo hace? Cuanto más investigadores en el
Instituto Allen estudian el cerebro a gran escala, observando muchas o la
mayoría de las células en el cerebro en lugar de unas pocas, más se dan cuenta
de que incluso las partes de la neurociencia que creían tener dominadas, en
realidad son más complicadas de lo que nadie se había percatado hasta ahora.
"Puede que no haya un camino simple para comprender los sistemas
complejos formados por la selección natural". "La evolución no se
preocupa por la elegancia. Al cerebro no le importa si lo entiendes… ".
Entonces, ¿cómo podemos llegar a una comprensión del cerebro que ayude a
alimentar la investigación médica y a satisfacer nuestra curiosidad sobre este
órgano único que nos hace ser quienes somos? Es probable que pueda requerir más
potencia computacional. Los modelos de ordenador pueden ayudar, pero es posible
que necesitemos muchos de ellos para explicar cada pequeña pieza del
rompecabezas. O mas probablemente necesitemos entrar en el mundo del Big Data.
La buena noticia es que la tecnología ha avanzado hasta un punto en que
podemos recopilar y almacenar esos datos en cantidades cada vez mayores. Y en
los últimos años, ha habido un creciente interés y mayor financiación para la
neurociencia, gracias en parte a la Iniciativa BRAIN.
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