Los investigadores han mapeado una pequeña porción del cerebro humano a una escala sin precedentes, detallando vívidamente cada célula cerebral o neurona y las intrincadas redes que forman con otras células.
El innovador mapa cerebral, construido por investigadores de Harvard y Google, revela aproximadamente 57.000 neuronas, 9 pulgadas (230 milímetros) de vasos sanguíneos y 150 millones de sinapsis, o puntos de conexión entre neuronas.
Dr. Jeff Lichtman, profesor de biología molecular y celular en la Universidad de Harvard que codirigió el proyecto de 10 años de duración, dijo que no podía creer el mapa detallado cuando lo vio por primera vez. «Nunca antes había visto algo así», dijo a WordsSideKick.com.
El cerebro humano es un órgano enormemente complejo con alrededor de 170 mil millones de células, incluidas 86 mil millones de neuronas. Los investigadores han examinado previamente el cerebro a escala milimétrica mediante imágenes por resonancia magnética (MRI). Y más recientemente, técnicas avanzadas de microscopía han revelado detalles a una escala mucho menor, mejorando nuestra comprensión del funcionamiento interno del cerebro.
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Ahora, utilizando estos métodos de microscopía y un inteligencia artificial (IA) llamado aprendizaje automático, Lichtman y sus colegas han creado un mapa 3D a partir de una parte del cerebro a escala de un nanómetro, o 1 millonésima de milímetro. Esto presenta una imagen del órgano con la resolución más alta jamás alcanzada por los científicos.
El atlas celular resultante, descrito en la revista. Ciencia el 9 de mayo, también es disponible para que los científicos lo examinen en línea.
Este mapa muestra una pequeña porción de cerebro con un volumen de aproximadamente 1 milímetro cúbico, más pequeño que un grano de arroz. El cerebro adulto completo es un millón de veces más grande.
El fragmento de cerebro fue tomado de una mujer de 45 años que se había sometido a una cirugía cerebral para tratar la epilepsia. Los médicos extrajeron la pieza de la corteza cerebral, la porción más externa de su cerebro. Después de fijar la muestra en conservantes, los investigadores la tiñeron con metales pesados para ayudarles a ver las células. Luego incrustaron el tejido en resina y lo cortaron en más de 5.000 rodajas, cada una de las cuales medía unos 30 nanómetros de espesor.
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«Eso es aproximadamente una milésima parte del grosor de un mechón de cabello», dijo Lichtman. El equipo escaneó cada uno de los cortes con un microscopio electrónico de alta velocidad, que utiliza múltiples haces de electrones para iluminar las células de la muestra. Luego enviaron los datos microscópicos a Google para su posterior análisis utilizando IA.
Los investigadores de Google utilizaron modelos de aprendizaje automático para identificar el mismo objeto en diferentes imágenes microscópicas y luego crear una representación 3D de cada objeto en todas las imágenes. Luego unieron electrónicamente las representaciones para reconstruir la muestra completa en tres dimensiones. El mapa 3D final contiene la gigantesca cantidad de 1,4 petabytes, o 1 millón de gigabytes, de datos.
«La cantidad y complejidad de los datos generados en este proyecto requirieron la capacidad de Google para desarrollar algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje automático de última generación para reconstruir el conectoma 3D». Viren Jaindijo a Live Science en un correo electrónico un científico senior de Google que codirigió el proyecto.
El mapa detallado de los científicos contiene varias sorpresas. Por ejemplo, descubrieron que algunos de los cables salientes de las neuronas, o axones, se enredaban en nudos, formando verticilos que Jain describió como «misteriosos pero hermosos». El equipo también encontró conexiones raras entre neuronas, en las que axones singulares estaban vinculados a hasta 50 sinapsis.
«Todavía estamos investigando la función de estas conexiones, pero podrían explicar cómo se codifican respuestas muy rápidas o recuerdos muy importantes», dijo Jain a WordsSideKick.com.
Queda por ver si los verticilos y las sinapsis súper fuertes tienen algo que ver con la epilepsia del donante de tejido, o si se verían en cerebros de personas sin la afección, anotó Lichtman. Añadió que el equipo ahora está examinando el tejido cerebral de una persona con Parkinson, por lo que puede comenzar a abordar la cuestión.
Añadió que es poco probable que las muestras de tejido cerebral de dos personas tengan exactamente el mismo aspecto, en parte porque la forma en que el cerebro se conecta depende de las experiencias de cada individuo.
El siguiente objetivo del equipo es mapear todo el cerebro de un ratón, que sería 500 veces el tamaño de esta muestra de cerebro humano. Están empezando por el hipocampo, una región clave para el aprendizaje y la memoria.
«Ya hemos comenzado la ambiciosa tarea», afirmó Lichtman.
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