Cincuenta y siete mil células, casi 150 millones de sinapsis y 230 milímetros de vasos sanguíneos. Todo eso cabe en solo un milímetro cúbico de cerebro humano, lo que equivale a 1.400 terabytes de datos y es una visión sin precedentes de la organización estructural del tejido cerebral.
La Universidad de Harvard (EE.UU.) y Google Research colaboraron durante casi una década para generar la mayor reconstrucción en 3D con resolución sináptica de un trozo de corteza temporal humana de aproximadamente la mitad del tamaño de un grano de arroz.
La reconstrucción a nanoescala, de la que informa un estudio que publica Science, muestra con todo detalle cada célula y su red de conexiones neuronales, lo que da una visión sin precedentes de la organización estructural del tejido cerebral a nivel supracelular, celular y subcelular.
El cerebro humano es un órgano enormemente complejo y hasta la fecha poco se conoce de su microestructura celular, pero sí se sabe que la alteración de los circuitos sinápticos y neuronales influye en numerosos trastornos cerebrales.
Los investigadores, liderados por Jeff Lichtman, de la Universidad de Harvard, y Viren Jain, del equipo de Conectómica de Google Research, combinaron inteligencia artificial y microscopía electrónica para codificar por colores y reconstruir el cableado de ese pequeño pedazo de cerebro.
Conocer los circuitos neuronales humanos con tanto detalle conlleva una serie de retos, como las limitaciones tecnológicas o la dificultad de tener acceso a tejido de alta calidad. Las biopsias son escasas y se usan para examinar o extirpar masas neoplásicas, lo que impide investigar la estructura normal del cerebro humano.
El equipo usó como base para el estudio una muestra extraída en una intervención quirúrgica para acceder a una lesión subyacente del hipocampo de un paciente con epilepsia.
Los investigadores reconstruyeron "miles de neuronas, más de cien millones de conexiones sinápticas y el resto de tejidos, incluida la materia cerebral, las células gliales, la vasculatura sanguínea y la mielina", explican en el estudio.
Visión sin precedente
Esa visión sin precedentes de un pedazo de cerebro humano permitió descubrir aspectos de la corteza temporal hasta ahora nunca vistos, como la existencia de un raro pero potente conjunto de axones (parte de la neurona que transmite las señales cerebrales) conectados por hasta 50 sinapsis.
Otros detalles son el gran número de células de la glia (encargadas de asegurar la supervivencia de las neuronas) frente al de neuronas, en una proporción de dos a una, o que los oligodendrocitos (responsables de la formación de mielina) son las células más comunes.
El equipo desarrolló además un conjunto de herramientas de libre acceso que los otros investigadores pueden utilizar y esperan que "otros estudios que utilicen este recurso puedan aportar valiosos conocimientos sobre los misterios del cerebro humano", indica la investigación.
Para sus autores, esta investigación demuestra "la viabilidad de los enfoques conectómicos humanos para visualizar y, en última instancia, comprender los fundamentos físicos del funcionamiento normal y alterado del cerebro humano".
Conectoma
La conectómica, de forma análoga a la genómica, pretende crear catálogos completos de la estructura cerebral, hasta las células individuales y el cableado. Lograr los mapas completos abriría el camino a nuevos conocimientos sobre el funcionamiento y las enfermedades cerebrales, de las que los científicos aún saben muy poco.
El conectoma es el diagrama de las conexiones neuronales y sin él no se puede entender cómo funciona el cerebro. El primer intento de lograr un mapa de este tipo se hizo en los años setenta con el gusano redondo, el resultado fue parcial.
El gran paso se dio el año pasado, cuando se publicó el conectoma cerebral completo de la larva de "Drosophila melanogaster" (mosca del la fruta), después de 12 años de trabajo.
Ahora, la Universidad de Harvard y Google están también involucrados en la Iniciativa BRAIN, un proyecto para cartografiar en alta resolución el cableado neuronal de todo un cerebro de ratón, que empezará por la formación del hipocampo, importante para la neurociencia por su papel en la memoria y las enfermedades neurológicas.
El resultado sería unas 1.000 veces la cantidad de datos que acaban de producir a partir del fragmento de corteza humana de un milímetro cúbico.
Seis capas de neuronas excitadoras codificadas por colores según la profundidad.
