Las muchas conexiones entre diferentes partes del cerebro no tienen señales carreteras ni marcadores. Para poder explorar este órgano tan complicado los científicos necesitan mapas. Grandes mapas.
Dos estudios lanzados este miércoles en la revista Nature muestran mapas cerebrales que podrían tener implicaciones para entender los cerebros saludables y dañados.
En un estudio se revela el mapa más completo de cómo las partes del cerebro están conectadas en un ratón. El otro ilumina el cerebro humano en desarrollo en términos de expresión genética; específicamente, qué genes son responsables de generar diferentes tipos de neuronas, y cómo se forman los circuitos del cerebro.
Los líderes de ambos estudios vincularon sus respectivos mapas cerebrales a Google Maps. Los estudios representan formas diferentes y complementarias de entender el cerebro.
Esta investigación fue publicada un año después de que el presidente Barack Obama anunciara la Iniciativa BRAIN de 100 millones de dólares, que “apunta a ayudar a los investigadores a encontrar nuevas formas de tratar, curar, e incluso prevenir trastornos cerebrales, como el alzhéimer, la epilepsia, y la lesión cerebral traumática”.
El cerebro del ratón, como nunca antes
El problema de la conectividad cerebral fue un tema de análisis importante para el último siglo, dijo Hongkui Zeng, directora de investigación en el Instituto Allen para Ciencia Cerebral en Seattle, Estados Unidos. Pero fue duro ganar perspectiva sobre todo el cerebro al combinar estudios individuales, debido a que los investigadores en particular se enfocaron en partes diferentes del cerebro.
«Ahora es tiempo de que nosotros generemos un mapa comprensivo en una forma sistemática debido a los avances de la tecnología y los avances del poder de computación”, dijo.
Zeng y sus colegas tomaron esta tarea exhaustiva. Estandarizaron datos sobre conectividad en todo el cerebro de un ratón.
Los investigadores dicen que su mapa es el primero en detallar la conectividad de neuronas en todo el cerebro del mamífero. Los científicos realizaron esta expansión de datos; miles de terabytes, públicamente disponibles.
«Este tipo de base de datos facilitaría el estudio de muchos, muchos investigadores diferentes en casi cada área del estudio del cerebro”, dijo Zeng.
Hay varios usos importantes para este mapa cerebral. Los científicos que buscan modelos de enfermedades podrían comparar las descripciones del cerebro del grupo de Zeng a otros que están dañados en varias formas, para ver qué efectos tienen diferentes condiciones en la conectividad del cerebro. Esto podría abrir nuevas avenidas en el estudio del Parkinson, alzhéimer, autismo, esquizofrenia y otras anomalías en el cerebro.
“Esto realmente establece un escenario para nosotros para poder comparar un animal normal contra un modelo de enfermedad, para ganar un completo entendimiento de lo que pasa en el cerebro con enfermedad”, dijo.
Los investigadores que están interesados en descifrar qué funciones podrían tener regiones específicas del cerebro para ver cómo áreas diferentes están conectadas. Al analizar el circuito del cerebro podría ayudar a guiar sus estudios, dijo Zeng.
Los científicos que construyen modelos computacionales del cerebro, que buscan entender cómo operan las redes en el cerebro, también pueden beneficiarse de ver a estos mapas.
Es importante señalar que el ratón y los cerebros humanos están estructurados de manera similar, pero no están cerca del tamaño o capacidad.
Con aproximadamente 86,000 millones de neuronas, el cerebro humano contiene más de 1,000 veces estas células que el cerebro del ratón. Nuestros cerebros también son 2,000 veces más grandes que el cerebro de un ratón, dijo Zeng.
Las perspectivas fundamentales sobre los circuitos del cerebro y el daño a menudo comienzan con modelos de roedores antes de expandirse a humanos. Pero también necesitamos explorar al cerebro humano para una mayor imagen del comportamiento y la enfermedad.
Zeng y sus colegas hablan con el Human Brain Project, la iniciativa europea que intenta simular computacionalmente todo el cerebro humano. El artículo en Nature sobre conectividad será “una base importante para ellos”, dijo Zeng.
El desarrollo humano del cerebro
Aunque el estudio del cerebro de ratón mostró conexiones, un segundo estudio de científicos en el Instituto Allen exploró a la genética en el cerebro humano en desarrollo. Este reporte revela un mapa que muestra donde varios genes se apagan y prenden en un feto en medio del embarazo, que pueden ayudar a explorar los orígenes de los problemas del cerebro.
«Realmente podemos utilizar eso ahora para señalar dónde un conjunto de genes asociados con una enfermedad pueden tener una acción común”, dijo el autor del estudio, Ed Lein.
Éste es el primer gran estudio que incorpora datos del Atlas BrainSpan del Cerebro Humano en Desarrollo, un esfuerzo que apunta a estudiar el papel de la expresión de genes en el cerebro durante todo el desarrollo humano, incluso la adultez.
Para generar esta huella genética del cerebro en desarrollo en este estudio, los científicos utilizaron cuatro cerebros humanos de fetos, entre 15 y 21 semanas de gestación, que fueron donados.
Se cree que esto es un periodo crítico para el surgimiento de trastornos del neurodesarrollo como autismo, dijo Lein. Los impactos a una región del cerebro llamada la neocorteza mientras se forma podría tener efectos duraderos, dijo.
Los investigadores utilizaron información de los mapas para analizar genes que previamente fueron vinculados al autismo en el cerebro en desarrollo. Encontraron que los genes asociados con el autismo tendían a ser particularmente activos en las recientes neuronas generadas de la corteza. Estas células envían información de una parte del cerebro a otra, dijo.
“Esto ofrece un lugar para enfocar más investigación”, dijo Lein. “Sugiere por un lado que estos genes pueden estar (activados) prenatalmente, y por otro lado en realidad tenemos un lugar para ver en el cerebro, que es el desarrollo y maduración de estas nuevas neuronas”.
Al tomar los nuevos mapas, los investigadores que estudian otros trastornos del desarrollo pueden tomar un enfoque similar.
Este mapa también puede revelar formas en las que los humanos son genéticamente diferentes de otras especies.
Por un lado, es importante entender las diferencias entre ratones y humanos, debido a que los ratones son utilizados tan a menudo en investigación biomédica y neurociencia.
¿Pero qué hay de lo que nos hace genéticamente especiales? Lein y sus colegas encontraron que los genes que parecen únicos a los humanos tienden a ser expresados particularmente en la corteza frontal, que es parte de la neocorteza, y es responsable de muchas capacidades cognitivas más altas. Esto también puede ofrecer pistas para que futuras investigaciones puedan continuar.