29/Nov/07

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Se hace posible "levantar" un diagrama de cableado del cerebro

El naciente campo de la "conectómica" podría ayudar a los investigadores a descifrar la manera en que el cerebro aborda el procesamiento de la información.

Analizando axones: Los científicos están desarrollando nuevas maneras de estudiar la intrincada red de neuronas cerebrales. Esta imagen muestra una reconstrucción parcial de la retina de un conejo. Las proyecciones neurales, que conectan neurona con neurona, están señaladas con colores diferentes. Créditos: Kevin Briggman, Moritz Helmstaedter, Winfried Denk Viren Jaina, Joseph Murray, Srini Turaga, y Sebastian Seung.

Nuevas tecnologías, que permiten que los científicos sigan el fino cableado cerebral con mayor exactitud que antes, podrían generar pronto un diagrama completo del cableado —incluyendo cada diminuta fibra y minúscula conexión— de una porción del cerebro.

Llamada "conectómica" (conectomics en inglés)^[1], la técnica que crearía estos mapas podría revelar cómo realizan las redes neurales sus precisas funciones en el cerebro, y podrían arrojar luz sobre trastornos que, segun se piensa, son originados por un cableado defectuoso, como el autismo y la esquizofrenia.

"El cerebro es, esencialmente, una computadora que se cablea a sí misma durante el desarrollo y que puede cambiar este cableado", dice Sebastian Seung, un neurocientífico computacional del MIT. "Si tenemos un diagrama del cableado del cerebro, podría ayudarnos a comprender cómo funciona". Por ejemplo, previamente los científicos identificaron la parte del cerebro del pájaro cantor que era importante en la capacidad de las aves para generar canciones. En última instancia, a Seung le gustaría desarrollar un diagrama del cableado de esta estructura para dilucidar las características que subyacerían esa única capacidad.

En la actualidad sólo existe el diagrama del cableado de un organismo: el del gusano microscópico C. elegans. A pesar de contener sólo 302 neuronas, el esfuerzo de levantar los planos del C. elegans llevó más de una década, en los '70. Ha sido un recurso de investigación inestimable y les valió un Premio Nobel a sus creadores.

Con aproximadamente 100 mil millones de neuronas y 100 billones de sinapsis en el cerebro humano, crear un mapa que cubra incluso un trozo pequeño es una tarea desalentadora. Usando métodos estándar, se necesitarían más o menos tres mil millones de años / persona para generar el diagrama de cableado de una única columna cortical, una angosta unidad funcional de neuronas en la corteza, estima Winfried Denk, neurocientífico en el Max Planck Institute for Medical Research en Heidelberg, Alemania.

Denk, Seung, y sus colaboradores están desarrollando ahora nuevas técnicas de imágenes sensibles y algoritmos de aprendizaje automatizado para automatizar el proceso de construcción. Ya han generado un diagrama parcial del cableado de una parte de la retina de un conejo. Pero necesitarán hacer que su técnica sea un millón de veces más rápida para finalmente poder construir mapas más grandes, como el de una columna cortical, en la esfera de la realidad.

Los esfuerzos previos de mapear el cableado del cerebro se han concentrado en aspectos anatómicos más grandes, como las gruesas zonas de cableado que conectan las diferentes partes del cerebro, o sobre las rutas de neuronas únicas, teñidas con un color especial para distinguirlas de su intrincada multitud de vecinas. Pero para comprender verdaderamente cómo una red neuronal puede efectuar una particular función, los científicos necesitan de un nuevo tipo de mapa. "Un montón de propiedades de la función cerebral están a nivel de circuito: la información es integrada, procesada, condensada", dice Elly Nedivi, neurocientífica del MIT que no está involucrada con la investigación. "Para comprender qué significa, se necesita poder ver quién se conecta con quién".

Denk y sus colegas desarrollaron una nueva técnica para hacer mapas de cableado a escala más fina utilizando el microscopio de electrones. Empezando con un pequeño bloque de tejido cerebral, los investigadores hacen rebotar electrones desde la capa superior del bloque para generar una imagen seccional cruzada de las fibras nerviosas en esa tajada. Entonces quitan una rebanada muy delgada —de 30 nanómetros— de la parte superior del bloque y repiten el proceso. Los científicos pasan a través de las imágenes, tajada a tajada, para seguir el trayecto de cada fibra nerviosa. "Repítalo [el proceso] miles de veces, y puede abrirse camino a través de tal vez todo el cerebro de una mosca", dice Denk.

Esta película muestra la estructura de una parte de la retina del conejo llamada capa plexiforme interior, el trozo de tejido neural en la parte posterior del ojo que siente la luz y envía la información visual al cerebro. Las ramas largas y delgadas de las neuronas, o neuritas, están enredadas como espagueti. Una nueva técnica llamada rastreo serial de capa superior con microscopio de electrones fue utilizada para obtener una serie de imágenes seccionales cruzadas bidimensionales de la maraña, mostrada aquí en blanco y negro. La imagen en 3-D resultante fue analizada con los algoritmos de computadora desarrollados por los investigadores utilizando métodos de aprendizaje automatizado. Primero, el seguimiento de una única neurita es mostrado en verde. Luego, un subconjunto mayor de neuritas es mostrado en varios colores. El método computarizado de reconstrucción en 3-D está todavía en desarrollo y requiere la vigilancia de un operador humano para corregir los errores. El equipo que trabajó en este proyecto incluía a investigadores del Max Planck Institute for Medical Research (Kevin Briggman, Moritz Helmstaedter, y Winfried Denk), del MIT y del Howard Hughes Medical Institute (Viren Jaina, Joseph Murray, Srini Turaga, y Sebastian Seung).

Seung y Denk aspiran a acelerar dramáticamente el proceso de rastreo, que le lleva semanas a un solo estudiante postgraduado, con los algoritmos de aprendizaje automatizado. Los investigadores usan datos de un diagrama de cableado generado a mano para entrenar a una red neural artificial a emular el proceso humano de rastreo. Entonces pueden utilizar el algoritmo resultante para analizar nuevos trozos de tejido cerebral. Hasta la fecha, han sido capaces acelerar el proceso de cien a mil veces.

Los investigadores presentaron sus conclusiones iniciales a una impresionada multitud en la reunión de la Society for Neurosciences en San Diego este mes. Mostraron la reconstrucción tridimensional de parte de la retina de un conejo, llamada capa plexiforme interior, que es un trozo de tejido neural en la parte posterior del ojo que siente la luz y envía la información visual al cerebro. "Pero necesitamos mejorar 10⁶ veces o más", dice Denk, que estima que reduciría los tres mil millones de años / personas que lleva rastrear una columna cortical hasta aproximadamente dos años. "Tengo confianza en que al final podremos hacerlo", dice. "Pero no sé cuánto tiempo nos llevará; si tenemos suerte, tal vez un año o algo así".

Antes, este mes, unos científicos de Harvard describieron un nuevo método para rastrear neuronas en el cerebro vivo, señalándolas con hasta cien colores diferentes. "Estamos empezando a pensar que los diagramas de cableado son fundamentales", dice Jeff Lichtman, uno de los investigadores que desarrollaron la técnica.

Los investigadores dicen que los dos enfoques serán posiblemente complementarios, permitiendo que los científicos miren los circuitos neurales desde dimensiones diferentes. Al final, Seung aspira a generar mapas del conectómico completo de una mosca, tanto como los diagramas parciales del cableado de interesantes locaciones en cerebros más grandes, como el hipocampo, el bulbo olfativo, y la retina.

Exactamente cuánta luz arrojarán estos mapas sobre el cerebro todavía es algo polémico. "Con sólo conocer la información [del cableado] no nos llevará lejos si no lo ponemos en el marco del procesamiento y transferencia de datos en el cerebro", dice David van Essen, neurocientífico de la Washington University, en St. Louis, y presidente de la Society for Neurosciences. Seung y otros finalmente esperan generar mapas que incorporen las propiedades bioquímicas y fisiológicas de varias células en los diagramas de cableado.

Nota: [1] Conectómica: término adoptado para esta traducción

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti y Graciela Lorenzo Tillard