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Un "conectoma", o mapa de las rutas y conexiones neuronales
de un cerebro humano (Crédito: Human Connectome 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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."
Los investigadores creen que puede haber otras regiones del
cerebro implicadas en el procesamiento de la música, incluyendo sus componentes
emocionales. "No es apropiado en este punto concluir que este es el asiento de la música en el
cerebro", dice McDermott. "Aquí es donde se ve la mayor parte de las
respuestas dentro de la corteza auditiva, pero hay una gran parte del cerebro todavía
por explorar."
