El sistema nervioso central (SNC) incluye al cerebro y a la médula espinal. Estos elementos esenciales son responsables de procesar y transmitir información a través del organismo. El cerebro regula funciones complejas como el pensamiento, el aprendizaje y la memoria, mientras que la médula espinal sirve como un canal de comunicación entre el cerebro y el resto del cuerpo.
Lichtman comentó a SINC por correo electrónico que “el objetivo de este proyecto es representar los detalles de la arquitectura del cerebro humano con una resolución suficiente para observar todas las conexiones sinápticas entre las células nerviosas”.
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Añade que “es un desafío de ingeniería que implica la tinción del cerebro con metales pesados (osmio, plomo y uranio), el seccionamiento ultrafino del cerebro (usando un ultramicrotomo automatizado con cuchilla de diamante), la obtención de imágenes a gran velocidad con un microscopio electrónico de barrido multihaz y una serie de métodos informáticos para unir, alinear, segmentar y anotar los datos de las imágenes”.
El líder del estudio subraya: “Muchos de estos pasos computacionales requirieron aprendizaje automático e inteligencia artificial. Nuestro equipo de Harvard y el de Google han trabajado arduamente durante varios años para lograrlo”.
Detalles nunca vistos de la estructura cerebral
El nuevo mapa revela detalles inéditos de la estructura cerebral, incluyendo un raro pero potente conjunto de axones conectados por hasta 50 sinapsis. El equipo también identificó peculiaridades en el tejido, como un pequeño número de axones que formaban extensos verticilos. Dado que la muestra provenía de un paciente con epilepsia, los investigadores no están seguros de si estas formaciones inusuales son patológicas o simplemente raras.
El campo de Lichtman es la conectómica, que, de manera similar a la genómica, busca crear catálogos completos de la estructura cerebral, abarcando hasta las células individuales y su cableado. Estos mapas completos permitirían acceder a nuevos conocimientos sobre la función y las enfermedades cerebrales, de las cuales los científicos aún conocen muy poco.
Los algoritmos de IA de última generación de Google han hecho posible la reconstrucción y cartografía del tejido cerebral en tres dimensiones. Los autores también han desarrollado un conjunto de herramientas de acceso público que otros científicos podrán utilizar para examinar y anotar el conectoma.
“Dada la enorme inversión realizada –que no se revela– en este proyecto, era importante presentar los resultados de manera abierta, para que cualquier persona pueda beneficiarse de ellos”, afirma Viren Jain, investigador de Google Research y coautor del trabajo.En este sentido, Lichtman enfatiza que “el conjunto de datos es tan grande que sería imposible que un solo laboratorio lo estudie en su totalidad. Es más probable que se realicen descubrimientos significativos si todas las partes interesadas tienen acceso a esa información”.
Por otro lado, el neurocientífico comenta a SINC que en la reconstrucción presentada ahora han aprendido que “el cerebro humano, como entidad física, es mucho más complejo que los pensamientos que produce. Esto significa que comprender nuestro cerebro mediante el pensamiento será todo un reto”.
También –resalta– “hemos encontrado muchas cosas bellas y extrañas en esta gran muestra que resultan inesperadas y, en muchos casos, bastante misteriosas, algunas de ellas las hemos destacado en el estudio y otras se podrán encontrar en la galería de la página alojada por Google sobre el trabajo”.
A la pregunta de cómo puede contribuir esta reconstrucción detallada a una mejor comprensión de los trastornos cerebrales y al desarrollo de nuevas terapias, el neurocientífico indica: “La esperanza última es que las enfermedades psiquiátricas y del desarrollo del cerebro tengan una patología física subyacente y que nuestro estudio ayude a los investigadores a describir mejor lo que falla en el interior del cerebro para causar el pensamiento desordenado en las personas afectadas”.
El siguiente paso de la investigación será abordar la formación del hipocampo del ratón, importante para la neurociencia por su papel en la memoria y las enfermedades neurológicas.
El impacto de Santiago Ramón y Cajal Jeff Lichtman tiene el título honorífico de profesor de Arte y Ciencias Santiago Ramón y Cajal en Harvard. Destaca que el Nobel español ha tenido un “enorme impacto” en su investigación: “Cajal fue el primer científico especializado en conectómica, demostró, mediante la tinción de Golgi, que las neuronas están conectadas en una red direccional”.
Lichtman concluye: “El trabajo moderno sobre el conectoma, como el de nuestro estudio, supera la única limitación de la tinción de Golgi: una tinción dispersa. Ahora tenemos en esencia un Golgi tecnicolor, de modo que todas las células y conexiones son visibles en la misma muestra”.
Referencia: Alexander Shapson-Coe et al. “A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution”. Science, 2024
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