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.
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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)
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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.
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.
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| 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. |
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.
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.
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| 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.
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.
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| 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 |
"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.
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| 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 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.)
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 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."
Imágenes originales: https://balsa.wustl.edu/study/show/RVVG
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