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CIENCIA. Mapear el cerebro: un nuevo paso hacia el tratamiento de enfermedades cerebrales

 

Los grupos de investigación apoyados por la Iniciativa US BRAIN lanzaron recientemente el mapa más completo de tipos de células en la corteza motora de humanos, monos y ratones. Andriy Onufriyenko / Moment a través de Getty Images

El cerebro juega un papel esencial en la forma en que las personas navegan por el mundo al generar pensamientos y comportamientos. A pesar de ser uno de los órganos más vitales de la vida, ocupa solo el 2% del volumen del cuerpo humano . ¿Cómo puede algo tan pequeño realizar tareas tan complejas?

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

La historia del mapeo cerebral

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 incrustaciones de cera. Santiago Ramón y Cajal , con su trabajo ganador del Premio Nobel de 1906 sobre la estructura celular del sistema nervioso, realizó uno de los primeros avances que llevaron a la neurociencia moderna tal como la conocemos.

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


La técnica CLARITY hace que los cerebros completos sean transparentes para que puedan examinarse a nivel molecular.

Desde entonces, la neurociencia ha experimentado una rápida explosión de nuevas herramientas experimentales. Avanzando 100 años hasta la actualidad, las herramientas modernas llamadas neurotécnicas , que incluyen el mapeo cerebral, han brindado a los neurocientíficos una forma de inspeccionar de cerca cada componente del cerebro. Algunos laboratorios han estado utilizando estas herramientas de mapeo cerebral para comprender qué tipos de células forman el cerebro y cómo contribuyen a la creación de la cognición.

La ciencia del mapeo cerebral

Entonces, ¿cómo funciona el mapeo cerebral?

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

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 las vea el ojo humano. Las herramientas de microscopía especializadas 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 acercar para ver cada esquina de la calle y alejar para ver una ciudad completa.

Las herramientas de microscopía pueden unir mosaicos de imágenes individuales en un mosaico fotográfico de todo el cerebro. Al acercar esta imagen de alta resolución del cerebro de un ratón, se muestran líneas rectangulares donde las imágenes se unieron, y cada punto de color representa un tipo específico de célula cerebral. Yongsoo Kim , CC BY-NC-ND

Como era de esperar, este tipo de imágenes 3D crea conjuntos de datos muy grandes. Aunque el cerebro de un ratón es más pequeño que la yema 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 a los que se someten.

Una vez que los científicos pueden detectar su tipo de célula objetivo en un conjunto de datos de imágenes, 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. Luego, los científicos pueden usar este mapa para comparar con los 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 ejecución.

Trabajando juntos para construir un mapa cerebral

Los científicos ahora tienen las herramientas para examinar todo el cerebro con gran detalle. Se ha realizado un esfuerzo considerable para coordinar y agrupar datos de los laboratorios de investigación de mapas cerebrales para crear mapas cerebrales completos. Por ejemplo, la Iniciativa US BRAIN creó la Red de Censos Celulares de la Iniciativa BRAIN (BICCN)Los grupos de investigación colaboradores de la red publicaron recientemente el mapa más completo de tipos de células en la corteza motora del cerebro en humanos, monos y ratones.

Pero, ¿es esto suficiente para comprender cómo funciona el cerebro?

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

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 está rezagado. Un mapa de células no les dice necesariamente a los investigadores cómo funcionan e interactúan las células entre sí en su conjunto. 

Por ejemplo, ¿cómo estas redes increíblemente complejas de tipos de células cerebrales trabajan juntas para generar cognición? ¿Existe una unidad básica en el cerebro que dirija cómo se forma y funciona? Responder 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 neurociencias. 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 existen muchas incógnitas sobre el cerebro, estas nuevas herramientas y técnicas podrían ayudar a sacarlas a la luz.

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