Los investigadores de Google dieron a conocer recientemente uno de los mapas más detallados del cerebro humano realizado hasta la fecha. La reconstrucción digital describe solo un milímetro cúbico de tejido cerebral (el tamaño de medio grano de arroz), pero con una resolución lo suficientemente alta como para mostrar neuronas individuales y sus conexiones entre sí, lo que requirió 1,4 petabytes de datos para codificarlo.
Aunque se trata de una pequeña parte, el "mapa del cerebro" ha permitido realizar varios descubrimientos sorprendentes. Por ejemplo, se ha "descubierto que algunos de los cables se enrollan formando unos nudos gigantes”, afirma Viren Jain, científico de investigación de
Google, sobre las neuronas. “No tenemos ni idea de por qué, nadie lo había visto antes”.
¿Cómo se almacenan y recuperan los recuerdos? ¿Cómo reconocemos objetos y rostros? ¿Por qué necesitamos dormir tanto? ¿Y qué falla en el Alzheimer y otras enfermedades cerebrales? son algunas de las preguntas que tienen los científicos.
“Una de las razones por las que no tenemos respuestas a estas preguntas es que todavía no disponemos de los datos que necesitamos para estudiar el cerebro”, afirma.
El cerebro humano tiene alrededor de 86 mil millones de neuronas conectadas entre sí por más de 100 billones de sinapsis que le permiten pensar, sentir, moverse e interactuar con el mundo. Al crear un mapa de estas conexiones neuronales, conocido como "conectoma", podemos descubrir nuevos conocimientos sobre cómo funciona nuestro cerebro y por qué a veces no funciona.
Durante la última década, el equipo ha desarrollado tecnologías para procesar, analizar y compartir datos de manera más eficiente, lo que permite a los investigadores aumentar notablemente el progreso en la comprensión del cerebro. Por ejemplo, introdujeron redes de relleno de inundación, que reemplazaron el esfuerzo manual de colorear las células en las imágenes cerebrales mediante el uso del aprendizaje automático para rastrear automáticamente las rutas de las neuronas a través de las capas de tejido.
Sobre la base de esto, su algoritmo SegCLR identifica automáticamente distintas partes de las células y tipos de células dentro de estas redes. Y crearon software como TensorStore y Neuroglancer que ayuda a almacenar, procesar y visualizar grandes imágenes y volúmenes multidimensionales.
No obstante, para mapear todo el conectoma del cerebro humano se necesitaría reunir y analizar hasta un zettabyte de datos (mil millones de terabytes), lo que supera las capacidades actuales de las tecnologías existentes. “Si tuviéramos que mapear todo el cerebro humano ahora mismo, se necesitarían miles de millones de dólares y cientos de años”, refiere.
En cambio, los investigadores se centran en mapear grandes porciones de cerebros de animales pequeños o trozos diminutos de tejido cerebral de animales grandes. En 2020, el equipo de Connectomics mapeó la mitad del cerebro de una mosca de la fruta , revelando las conexiones entre 25.000 neuronas.
A través de colaboraciones con investigadores en el campo, también han creado conectomas para porciones de los cerebros del pinzón cebra y las larvas del pez cebra. En mayo último, el mapa mencionado anteriormente de 1 milímetro cúbico de tejido cerebral humano se publicó en la revista Science.
Miles de investigadores de todo el mundo han utilizado los conjuntos de datos de estos proyectos, lo que ha dado lugar a cientos de descubrimientos publicados.
Ahora, el equipo de Connectomics está trabajando con socios de las universidades de Harvard, Princeton y otras para mapear el hipocampo del ratón, la parte del cerebro responsable de codificar los recuerdos, la atención y la navegación espacial, y que representa el 2-3% de todo el cerebro del ratón.
Sin el tiempo ni la tecnología para mapear todo el cerebro humano, analizar un conectoma de ratón es la segunda mejor opción, ya que es lo suficientemente pequeño como para ser técnicamente factible y podría proporcionar información relevante para nuestras propias mentes. “Cuando miras el cerebro de un ratón en el microscopio electrónico, se ve exactamente como un cerebro humano. Es, de hecho, una versión en miniatura de un cerebro humano”, dice Jeff W. Lichtman, profesor de biología molecular y celular en Harvard. Es por eso que los científicos usan ratones con frecuencia para estudiar los trastornos cerebrales humanos.
Los ratones son sólo la última frontera en el campo del conectoma. Los neurocientíficos llevan décadas trabajando para mapear cerebros cada vez más grandes y complejos. El primer conectoma fue el del cerebro de un gusano; publicado en 1986, se necesitaron 16 años para mapearlo.
Aunque el cerebro de un ratón es 1.000 veces más pequeño que el de un humano, cartografiarlo sigue siendo un enorme desafío técnico. El conjunto de datos de un conectoma cerebral de ratón con una resolución nanométrica podría ser el conjunto de datos biológicos más grande jamás recopilado, con un volumen estimado de entre 20.000 y 30.000 terabytes.
“No solo adquirir los datos, sino también almacenarlos y procesarlos con precisión es un gran desafío”, afirma Jain. “Pero esa ha sido nuestra contribución única al campo: desarrollar herramientas que lleven la tecnología más avanzada en cuanto a precisión y luego aplicarlas a escala a conjuntos de datos cada vez más grandes”.
Si tiene éxito, el proyecto del equipo Connectomics sobre el cerebro de ratones será la primera vez que los científicos hayan cartografiado parte del hipocampo de un mamífero. También será el trozo más grande que se haya intentado cartografiar jamás.
“La investigación fundamental genera un valor extraordinario”, agrega. “Lo que me entusiasma es que algún día comprenderemos con precisión cómo formamos los recuerdos y qué es lo que subyace a los trastornos o enfermedades mentales. Pero para lograrlo, tenemos que crear un circuito de tecnología que habría sido inimaginable hace apenas dos décadas”.