Mapear cómo encajan los 100 mil millones de células en el cerebro, es el nuevo y valiente reto del mundo

Afortunadamente, las herramientas modernas como el mapeo cerebral han permitido a neurocientíficos como responder a esta pregunta exacta. Al mapear cómo se organizan todos los tipos de células en el cerebro y examinar cómo se comunican entre sí, los neurocientíficos pueden comprender mejor cómo los cerebros normalmente funcionan, y qué sucede cuando ciertas partes de la célula se pierden o funcionan mal.

La tarea de comprender el funcionamiento interno del cerebro ha fascinado tanto a filósofos como a científicos durante siglos. Aristóteles propuso que el cerebro es donde reside el espíritu. Leonardo da Vinci dibujó representaciones anatómicas del cerebro con incrustación de cera. Y Santiago Ramón y Cajal, con su trabajo ganador del Premio Nobel de 1906 sobre la estructura celular del sistema nervioso, hizo uno de los primeros avances que condujeron a la neurociencia moderna como lo sabemos.

Usando una nueva forma de visualizar células individuales llamada tinción de Golgi, un método iniciado por el co-ganador del Nobel Camillo Golgi, y el examen microscópico del tejido cerebral, Cajal estableció la neurona seminal doctrina. Este principio establece que las neuronas, entre los principales tipos de células cerebrales, se comunican entre sí a través de las brechas entre ellas llamadas sinapsis. Estos hallazgos lanzaron una carrera para comprender la composición celular del cerebro y cómo las células cerebrales están conectadas entre sí.

Desde entonces, la neurociencia ha experimentado una rápida explosión de nuevas herramientas experimentales. Saltando hacia adelante 100 años hasta hoy, las herramientas modernas llamadas neuro técnicas, que incluyen el mapeo cerebral, han dado a los neurocientíficos una forma de inspeccionar de cerca cada componente del cerebro. Mi laboratorio ha estado utilizando estas herramientas de mapeo cerebral para comprender qué tipos de células componen el cerebro y cómo contribuyen a la creación de la cognición.

Entonces, ¿cómo funciona el mapeo cerebral?

Los científicos primero necesitan etiquetar, o visualizar, un tipo de célula específica. El proceso es como encontrar una aguja en un pajar: sería mucho más fácil de encontrar si la aguja, o el tipo de célula, brillara. Esto se puede hacer con métodos genéticos o de inmuno tinción. El método genético aprovecha los animales, como los ratones, que pueden ser modificados genéticamente para que solo el tipo de célula objetivo sea visible bajo luces fluorescentes específicas. Los métodos de inmuno tinción, por otro lado, hacen que las muestras de cerebro sean transparentes con un tratamiento químico especial y utilizan anticuerpos para etiquetar el tipo de célula objetivo con una fluorescente etiqueta.

El siguiente paso es obtener imágenes de todo el cerebro utilizando técnicas de microscopía que permiten a los científicos ver partes demasiado pequeñas para que el ojo desnudo las vea. Las herramientas especializadas de microscopía pueden tomar instantáneas, o mosaicos, de todo el cerebro. Unir estos mosaicos de imágenes puede reconstruir un volumen 3D intacto como un mosaico fotográfico. Es como construir un mapa de Google del cerebro: al combinar millones de fotos de calles individuales, puede hacer zoom para ver cada esquina de la calle y alejarse para ver una ciudad entera.

Como era de esperar, este tipo de imágenes 3D crea conjuntos de datos muy grandes. A pesar de que el cerebro de un ratón es más pequeño que la punta de un dedo humano, el tamaño de estos conjuntos de datos puede alcanzar fácilmente entre unos pocos cientos de gigabytes y un terabyte. Afortunadamente, los notables avances en equipos informáticos y software han hecho posible el análisis de datos a gran escala. Los algoritmos de inteligencia artificial en particular han permitido a los científicos detectar muchas características celulares diferentes en el cerebro, como la forma y el tamaño de las células, así como los procesos.

Una vez que los científicos son capaces de detectar su tipo de célula objetivo en un conjunto de datos de imagen, el paso final es localizar características celulares específicas en un cerebro de referencia. Este cerebro de referencia sirve como un mapa estandarizado que muestra dónde se encuentra cada región del cerebro. Los científicos pueden usar este mapa para comparar con cerebros individuales y observar sus variaciones.

Estos pasos se repiten para cada tipo de célula, creando un mapa más rico y completo del cerebro con cada recorrido.

Los científicos ahora tienen las herramientas para examinar todo el cerebro con muy fino detalle. Ha habido un esfuerzo considerable para coordinar y agrupar datos de laboratorios de investigación de mapeo cerebral para crear mapas cerebrales completos. Por ejemplo, la Iniciativa BRAIN de los Estados Unidos creó la Red de Censo Celular de la Iniciativa BRAIN (BICCN) en la que participa mi laboratorio. Los grupos de investigación colaboradores en la red publicaron recientemente el mapa más completo de tipos de células en la corteza motora del cerebro en humanos, monos y ratones.

¿Es esto suficiente para entender cómo funciona el cerebro?

Los avances técnicos en tinción celular y microscopía ayudaron a Santiago Ramón y Cajal a hacer su descubrimiento fundamental sobre las neuronas. Sin embargo, fue su capacidad para llegar a una teoría para explicar sus observaciones que la comprensión avanzada de los neurocientíficos del cerebro.

Si bien los investigadores han estado ocupados recopilando información increíblemente detallada sobre el cerebro, el uso de estos datos para crear nuevas teorías sobre cómo funciona el cerebro se queda atrás. Un mapa de células no necesariamente les dice a los investigadores cómo funcionan e interactúan entre sí como un todo. Por ejemplo, ¿cómo trabajan juntas estas redes increíblemente complejas de tipos de células cerebrales para generar cognición? ¿Existe una unidad básica en el cerebro que dirija cómo se forma y funciona? Responder a preguntas como estas ayudará a los investigadores a comprender cómo los cambios cerebrales específicos están relacionados con diferentes trastornos cerebrales como la demencia y a idear nuevas estrategias para tratarlos.

Es un momento muy emocionante para la investigación en neurociencia. El mapeo cerebral increíblemente rico y de alta resolución presenta una gran oportunidad para que los neurocientíficos reflexionen profundamente sobre lo que dicen estos nuevos datos sobre cómo funciona el cerebro. Aunque todavía hay muchas incógnitas sobre el cerebro, estas nuevas herramientas y técnicas podrían ayudar a sacarlas a la luz.

Con información de Reuters.