A partir de una diminuta muestra de tejido no mayor que un grano de arena, los científicos han estado a punto de alcanzar un objetivo que antes se creía inalcanzable: construir un diagrama de cableado funcional completo de una parte del cerebro.

En 1979, el famoso biólogo molecular Francis Crick afirmó que sería “imposible crear un diagrama de cableado exacto de un milímetro cúbico de tejido cerebral y de cómo se activan todas sus neuronas”. Sin embargo, durante los últimos siete años, un equipo global de más de 150 neurocientíficos e investigadores ha logrado acercarlo a la realidad.

El Proyecto de Inteligencia Artificial a partir de Redes Corticales (MICrONS) ha creado el diagrama de cableado cerebral más detallado hasta la fecha de un mamífero. Ahora, los investigadores publicaron los hallazgos científicos de esta enorme fuente de datos en una colección de 10 estudios en la revista Nature.

El diagrama de cableado y sus datos, disponibles gratuitamente a través de MICrONS Explorer, tienen un tamaño de 1,6 petabytes (equivalente a 22 años de vídeo HD ininterrumpido) y ofrecen información nunca antes vista sobre la función cerebral y la organización del sistema visual.

“Los avances de MICrONS publicados en este número especial de Nature representan un momento decisivo para la neurociencia, comparable al Proyecto Genoma Humano en su potencial transformador”, afirmó David A. Markowitz, Ph.D., exgerente del programa IARPA que coordinó este trabajo.

La inversión descomunal de IARPA en el programa MICrONS ha superado las limitaciones tecnológicas previas, creando la primera plataforma para estudiar la relación entre la estructura y la función neuronal a las escalas necesarias para comprender la inteligencia. Este logro valida nuestro enfoque de investigación específico y sienta las bases para una futura ampliación a nivel del cerebro completo.

Los científicos del Baylor College of Medicine comenzaron utilizando microscopios especializados para registrar la actividad cerebral de una porción de un milímetro cúbico de la corteza visual de un ratón mientras el animal miraba varias películas y clips de YouTube.

Después, los investigadores del Instituto Allen tomaron ese mismo milímetro cúbico del cerebro y lo cortaron en más de 25.000 capas, cada una de 1/400 del ancho de un cabello humano, y utilizaron una serie de microscopios electrónicos para tomar fotografías de alta resolución de cada corte.

Finalmente, otro equipo de la Universidad de Princeton utilizó inteligencia artificial y aprendizaje automático para reconstruir las células y las conexiones en un volumen 3D.

Combinado con los registros de la actividad cerebral, el resultado es el diagrama de cableado y mapa funcional del cerebro más grande hasta la fecha, que contiene más de 200.000 células, cuatro kilómetros de axones (las ramas que llegan a otras células) y 523 millones de sinapsis (los puntos de conexión entre células).

“Dentro de esa diminuta mota hay toda una arquitectura, como un bosque exquisito”, dijo Clay Reid, Ph.D., investigador principal y uno de los primeros fundadores de la conectómica de microscopía electrónica, quien trajo esta área de la ciencia al Instituto Allen hace 13 años.

“Contiene todo tipo de reglas de conexión que conocíamos de diversas áreas de la neurociencia, y dentro de la reconstrucción misma, podemos probar las viejas teorías y esperar encontrar cosas nuevas que nadie haya visto antes”, destacó.

Una nueva mirada a la función y organización del cerebro

Los hallazgos de los estudios revelan nuevos tipos celulares, características, principios organizativos y funcionales, y una nueva forma de clasificar las células. Entre los hallazgos más sorprendentes se encuentra el descubrimiento de un nuevo principio de inhibición en el cerebro. Anteriormente, los científicos consideraban que las células inhibidoras (aquellas que suprimen la actividad neuronal) eran una simple fuerza que amortiguaba la acción de otras células.

Sin embargo, los investigadores descubrieron un nivel de comunicación mucho más sofisticado: las células inhibidoras no actúan de forma aleatoria; en cambio, son muy selectivas en cuanto a las células excitadoras que atacan, creando un sistema de coordinación y cooperación en toda la red. Algunas células inhibidoras trabajan juntas, suprimiendo múltiples células excitadoras, mientras que otras son más precisas y atacan solo tipos específicos.

“Este es el futuro en muchos sentidos”, explicó el Dr. Andreas Tolias, uno de los científicos principales que trabajó en este proyecto tanto en el Baylor College of Medicine como en la Universidad de Stanford.

MICrONS será un hito en la construcción de modelos de base cerebral que abarquen múltiples niveles de análisis, desde el nivel conductual hasta el nivel de representación de la actividad neuronal e incluso el nivel molecular.

Lo que esto significa para la ciencia y la medicina

Comprender la forma y función del cerebro, así como la capacidad de analizar las conexiones neuronales detalladas a una escala sin precedentes, abre nuevas posibilidades para el estudio del cerebro y la inteligencia. También tiene implicaciones para trastornos como el Alzheimer, el Parkinson, el autismo y la esquizofrenia, que presentan alteraciones en la comunicación neuronal.

“Si tienes una radio averiada y tienes el diagrama del circuito, estarás en mejor posición para repararla”, dijo el Dr. Nuno da Costa, investigador asociado del Instituto Allen.

“Estamos describiendo una especie de mapa de Google o plano de este grano de arena. En el futuro, podremos usarlo para comparar el cableado cerebral de un ratón sano con el de un modelo de enfermedad”, explicó.

El Proyecto MICrONS es un esfuerzo colaborativo de más de 150 científicos e investigadores del Instituto Allen, Princeton, Harvard, Baylor College of Medicine, Stanford y muchos otros.

“Hacer este tipo de ciencia a gran escala y en equipo requiere mucha cooperación”, afirmó el Dr. Forrest Collman, director asociado de datos y tecnología del Instituto Allen, agregando que una tarea de este tipo “requiere que las personas tengan grandes sueños y se comprometan a abordar problemas que no tienen solución evidente, y así es como se producen los avances”.

Un mapa de la conectividad, forma y función neuronal a partir de una porción del cerebro del tamaño de un grano de arena no es solo una maravilla científica, sino un paso hacia la comprensión de los orígenes esquivos del pensamiento, la emoción y la conciencia. La tarea «imposible» imaginada por primera vez por Francis Crick en 1979 está ahora un paso más cerca de hacerse realidad.