Los investigadores generaron un mapa de alta resolución de todas las células y conexiones de un solo milímetro cúbico del cerebro humano.
Los resultados revelan detalles nunca vistos de la estructura cerebral y proporcionan un recurso para futuros estudios.
 |
| Se muestra una sola neurona con 5.600 de las fibras nerviosas (azul) que se conectan a ella. Las sinapsis que establecen estas conexiones aparecen en verde. Google Research & Lichtman Lab, Harvard University. Renderizado por D. Berger, Harvard |
Para comprender plenamente el funcionamiento del cerebro humano es necesario conocer las relaciones entre las distintas células que lo componen. Esto implica visualizar la estructura del cerebro a escala nanométrica para ver las conexiones entre neuronas.
Un equipo de investigadores, dirigido por el Dr. Jeff Lichtman de la Universidad de Harvard y el Dr. Viren Jain de Google Research, utilizó microscopía electrónica (ME) para obtener imágenes de alta resolución de un trozo de tejido cerebral humano del tamaño de un milímetro cúbico. El tejido se extrajo de la corteza cerebral de un paciente en el marco de una intervención quirúrgica por epilepsia.
El equipo empezó por cortar el tejido en más de 5.000 cortes, o secciones, cada una de las cuales se analizó con Microscopía Electrónica. Se obtuvieron 1,4 petabytes (1.400 terabytes) de datos. Con estos datos, los investigadores generaron una reconstrucción tridimensional de casi todas las células de la muestra. Los resultados del estudio, financiado por los NIH, se publicaron en la revista Science el 10 de mayo de 2024.
El análisis de las células individuales de la muestra reveló un total de más de 57.000 células. La mayoría de ellas eran neuronas, que envían señales eléctricas, o glía, que proporciona diversas funciones de apoyo a las neuronas. El número de glías superaba al de neuronas en una proporción de 2 a 1. Las células gliales más comunes eran los oligodendrocitos, que proporcionan soporte estructural y aislamiento eléctrico a las neuronas. La muestra de un mm cúbico también contenía unos 230 mm de vasos sanguíneos.
La reconstrucción reveló detalles estructurales no vistos antes. Los investigadores analizaron un tipo de neuronas, llamadas células triangulares, que se encuentran en la capa más profunda de la corteza cerebral. Muchas de ellas adoptaban una de dos orientaciones, que eran imágenes especulares entre sí. El significado de esta organización sigue siendo desconocido.
 |
| Imagen multicolor de largas proyecciones y conexiones de células nerviosas. Los investigadores construyeron una imagen en 3D de casi todas las neuronas y sus conexiones dentro de un pequeño trozo de tejido cerebral humano. Esta imagen muestra seis capas de neuronas, coloreadas según el tamaño del núcleo central de cada célula. Google Research & Lichtman Lab, Universidad de Harvard. Renderizado por D. Berger, Harvard |
El equipo utilizó el aprendizaje automático para identificar las sinapsis, las uniones a través de las cuales las señales pasan de una célula a otra. Encontraron casi 150 millones de sinapsis. Casi todas las neuronas formaban una sola sinapsis con una célula diana determinada. Pero una pequeña fracción formaba dos o más sinapsis con el mismo objetivo. En al menos un caso, más de 50 sinapsis conectaban un solo par de células. Aunque poco frecuentes, las conexiones de siete o más sinapsis entre células eran mucho más comunes de lo esperado por azar. Esto sugiere que estas fuertes conexiones tienen algún significado funcional.
Los resultados ilustran lo complejo que es el cerebro a nivel celular. También muestran el valor de la conectómica -la ciencia que genera mapas exhaustivos de las conexiones entre las células cerebrales- para comprender la función cerebral.
«La palabra “fragmento” es irónica», afirma Lichtman. «Un terabyte es, para la mayoría de la gente, gigantesco, pero un fragmento de cerebro humano -un minúsculo, pequeñísimo trocito de cerebro humano- sigue siendo miles de terabytes».
El equipo ha puesto a disposición del público su conjunto de datos. También han proporcionado varias herramientas informáticas para ayudar a examinar el mapa cerebral. La esperanza es que un estudio más profundo de los datos, por parte de este equipo y de otros, aporte nuevos conocimientos sobre el funcionamiento del cerebro humano.
«Este increíble avance -la capacidad de capturar y procesar más de 1.000 terabytes de datos del cerebro- no habría sido posible sin la generosa donación de un participante en el estudio y las importantes colaboraciones entre neurocientíficos, informáticos e ingenieros», afirma el Dr. John Ngai, director de la Iniciativa BRAIN de los NIH.
«Estas colaboraciones son fundamentales en nuestro objetivo de construir un mapa completo del cerebro humano para poder acercar las curas a la clínica».
Referencia: https://www.nih.gov/news-events/nih-research-matters/study-reveals-unseen-details-human-brain-structure
