Se necesitan nuevas técnicas, nuevas herramientas diagnósticas y terapéuticas
que muestren la riqueza con la que se comportan los circuitos neuronales en pacientes humanos
que muestren la riqueza con la que se comportan los circuitos neuronales en pacientes humanos
Actualización : Enero 13, 2017
Cableado
de las neuronas y Atlas anatómico del cerebro prenatal – Dos nuevos estudios amplían el atlas del funcionamiento del cerebro humano
Dos
investigaciones realizadas en el Allen
Institute for Brain Science, Seattle (EE. UU.), publicadas en la revista Nature en
abril 2014, avanzan en el conocimiento
de cómo funciona el cerebro humano : el Cableado de las neuronas y el Atlas anatómico del cerebro prenatal.
El cableado de las
neuronas
El
ratón comparte la arquitectura básica del cerebro humano. Este roedor
constituye el mejor modelo experimental para estudiar el funcionamiento
cerebral y la eficacia de los fármacos en determinadas enfermedades.
Describir
el funcionamiento del cerebro humano es uno de los principales desafíos de la
ciencia actual.
El
estudio revela, por primera vez, el conectoma – las conexiones cerebrales – a media escala del ratón. Es una
resolución intermedia entre la visión a micro escala que describe las sinapsis
nerviosas y la macro escala que define las fibras cerebrales.
Los
autores examinaron el cerebro de más de 1200 múridos (familia de roedores) para
elaborar el Atlas de Conectividad del Cerebro de Ratón de Allen. Inyectaron
virus genéticamente modificados y fluorescentes en áreas determinadas del
encéfalo de los animales, de manera que convirtieron en visibles los cables
salientes de cada neurona. A continuación introdujeron todos los datos en una computadora
para obtener una cartografía tridimensional del cerebro ratonil.
Según
los expertos esta investigación muestra la organización del cableado neuronal, fundamental
para entender cómo procesa la información el sistema nervioso.
Las
limitaciones técnicas que existen en el caso humano no permiten obtener una
resolución celular. El mapeo está restringido a los haces de axones – prolongación de
las neuronas encargadas de transmitir el impulso nervioso – de la materia
blanca. La materia gris, por el contrario, contiene unas estructuras complejas
difíciles de identificar. Esto significa que los investigadores no han sido aún
capaces de “ver” las sinapsis nerviosas, pero que su atlas del cableado
neuronal muestra un nivel de detalle más amplio que el de las simples fibras
cerebrales.
Tal
y como sostienen los autores, el estudio proporciona datos complementarios que
describen un mapa a nivel celular con
una resolución mil veces mayor que en el cerebro humano.
Atlas
anatómico del cerebro prenatal
El
estudio revela un detallado atlas anatómico y transcripcional del cerebro
prenatal de humano y de ratón. Los neurólogos establecen que los acontecimientos genéticos que suceden durante
la gestación diseñan la arquitectura anatómica y funcional del cerebro
humano.
El
mapa donde se muestra varios genes que se apagan y prenden en un feto en medio
del embarazo, puede ayudar a explorar los orígenes de los problemas del
cerebro.
Para
generar esta huella genética del cerebro en desarrollo, los científicos
utilizaron cuatro cerebros humanos de fetos, entre 15 y 21 semanas de
gestación, que fueron donados.
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.
Han
descrito nuevas características de los genes que actúan durante el desarrollo
del cerebro y han encontrado diferencias entre estas dos especies. Este tipo de
diferencias subrayan la importancia de estudiar el cerebro humano en particular
para entender con precisión su funcionamiento y sus trastornos.
Sus
resultados complementan las conclusiones futuras de las iniciativas BRAIN de
Estados Unidos y Human Brain Project de Europa. Se quiere llegar al conocimiento del cerebro de una manera integral.
Se busca que los avances de un grupo sean accesibles para que otros los puedan utilizar
y que se pueda progresar.
Introducción de cables de polímero en dos
regiones del cráneo sin necesidad de dispositivos externos
Según
un estudio realizado por científicos
de la Universidad de Harvard y publicado en la revista Nature en junio 2014, se ha conseguido implantar
micro-cables en cerebros de ratones.
El
estudio tenía como objeto obtener posibles curas para diversas enfermedades
neurodegenerativas. La investigación sobre neuronas todavía resulta una
incógnita en elementos como la percepción o las emociones y esto ha llevado a
una búsqueda científica en la comunidad por encontrar un método preciso.
 |
| Cómo funcionan estos nanocables |
El
concepto se desarrolló ante el problema
de realizar una investigación en un cerebro activo. La respuesta del
equipo fue establecer magnitudes microscópicas que no intervinieran de manera
invasiva en el cerebro: se encajan en pequeñas cavidades y recovecos como una
gasa. Todos estos cables minúsculos están conectados a la computadora donde
graban y procesan las actividades cerebrales. Por el momento, estos cables han
permitido introducirse en dos regiones del cráneo, en una especie de «polímero
de red» de manera parecida a una matriz.
Este trabajo permitirá, en un futuro,
realizar investigaciones sobre los trastornos producidos luego de un infarto
cerebral o medir de manera más precisa la enfermedad de Parkinson.
BRAIN (Brain
Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies), es decir,
Investigación del Cerebro a través del Avance de Neurotecnologías innovadoras
Generación
tras generación, desde hace más de 100 años, las mentes más brillantes del
mundo se han dedicado a investigar el cerebro. Gracias a este trabajo se
conoce, por ejemplo, cuál es el funcionamiento de las neuronas individualmente,
pero no en términos de circuitos cerebrales. Las neuronas actúan en conjunto pero
no hay técnicas para ver esta interacción. La resonancia magnética ofrece una visión
muy global de qué partes del cerebro se activan en pacientes con determinadas
enfermedades. Sin embargo, no permite concretar qué tipo de neuronas están
activándose ni cómo están conectadas. Por esta razón se necesitan técnicas que
muestren la riqueza con la que se comportan los circuitos neuronales en
animales o pacientes humanos.
Entre
los objetivos de este proyecto se encuentra desarrollar técnicas capaces de
medir la actividad de todo el cerebro de un animal pequeño, como la mosca o
gusano. En el futuro, esta tecnología puede ayudar a diagnosticar enfermedades
cerebrales y neurológicas con mucha más fiabilidad y mucho más temprano.
También
facilitaría el conocimiento de lo que los médicos denominan pato-fisiología,
es decir, descubrir cuál es el problema a partir del cual se desarrollan los
síntomas. En la inmensa mayoría de las enfermedades neurológicas se desconoce
la pato-fisiología. Estas técnicas no sólo pueden ayudar a diagnosticar sino a
entender la enfermedad.
El
desarrollo de nuevas técnicas para medir la actividad neuronal también podría facilitar
la comprensión sobre cómo el depósito de amiloide – sustancia que se deposita
entre las células – da lugar a síntomas cognitivos que derivan en
demencias.
Este
tipo de herramientas para leer y escribir la actividad cerebral puede ayudar al
desarrollo de interfaces cerebro-computadora, para que estos pacientes, a pesar
de sus limitaciones físicas, puedan moverse y llevar una vida más o menos
normal, ayudados por brazos o piernas robóticas a través de una computadora.
El
autismo, al igual que la esquizofrenia, son enfermedades que están expresadas
en muchas partes del cerebro. Si se mapease un solo trozo del cerebro de un
paciente autista se podrían averiguar claves del problema. Se están haciendo
experiencias en modelos de ratón con epilepsia y autismo.
Proyecto
Cerebro Humano (Human Brain Project)
En octubre
2013 empezó oficialmente el Human Brain Project (HBP), un megaproyecto
financiado por la Comisión Europea con 1.200 millones de euros y en el que
participarán durante diez años más de 130 instituciones de investigación en el
mundo, 80 de ellas, europeas, pero también de Canadá, China, Israel, Japón y
Estados Unidos.
Es
un proyecto médico-científico y tecnológico que tiene como fin reproducir
tecnológicamente las características del cerebro humano, y de esta forma
conseguir avances en el campo de la medicina y la neurociencia. Para que éste
proyecto pueda desarrollarse es necesaria la investigación en nuevas TIC, o tecnologías
de supercomputación avanzadas que permitan asociar y utilizar la información
integrada en modelos informáticos y simulaciones del cerebro que identifiquen
patrones, principios organizativos y posibles carencias que puedan ser
subsanadas con nuevos experimentos.
El
desarrollo del HBP traerá no solo un conocimiento más profundo del cerebro y de
cómo tratar mejor las enfermedades cerebrales. También servirá como un
acelerador tecnológico para mejorar los superordenadores y desarrollar sistemas
totalmente nuevos inspirados en el funcionamiento y las capacidades del
cerebro.
Se
han alcanzado el 90% de las metas que se fijó el HBP para su primer año de
operación – que se articulan a través de los 13 sub-proyectos que lo integran.
Entre ellas, la creación de un ‘modelo biológicamente realista cerebral en 3D’,
así como la inauguración del Instituto Europeo para la Neurociencia Teórica de
París o un atlas en 3D que será la nueva referencia sobre el cerebro, ya que
consiguió 50 veces más resolución que su antecesor más elaborado.
La
coincidencia en el tiempo de ambos proyectos ha hecho que se hable de la
‘carrera del cerebro’. Sin embargo, el Human Brain Project y la Brain
Initiative tienen aproximaciones muy diferentes.
Los
científicos van a ser muy pragmáticos en el HBP. Saben que es imposible mapear
experimentalmente el cerebro. Harán un modelo predictivo. Van a predecir su
biología, el número de neuronas, el tipo de neuronas, las conexiones, dónde están
localizadas las proteínas. Van a desarrollar una ciencia completamente nueva
que se llamará neurociencia predictiva.
En
vez de mapear las estructuras neurales pieza a pieza, intentarán desentrañar
algunos de los principios subyacentes que gobiernan la morfología y la
arquitectura del cerebro. Y utilizarán superordenadores para, con miles de
simulaciones estadísticas, predecir la forma en que las neuronas tienden a
combinarse.
Dos años y medio después de su lanzamiento el proyecto europeo de simulación del cerebro presentó en marzo 2016 sus primeras plataformas para la comunidad científica.
Las plataformas incluyen equipo de cómputo, software y bases de datos. Ellas son el corazón de la nueva infraestructura para la investigación del cerebro proporcionada por HPB.
Estas herramientas incluyen una plataforma de neuro-informática para la investigación y el análisis de los datos de la neurociencia, así como una plataforma de computación de alto rendimiento para procesar la enorme cantidad de información generada por el proyecto. La plataforma de simulación proporciona software para la reconstrucción de los circuitos neuronales.
Otras plataformas se refieren a la gestión de los datos reales de pacientes para el estudio de las enfermedades del cerebro, el desarrollo de los circuitos informáticos llamados neuro-mórficos que imitan la función de las neuronas y finalmente la experimentación de modelos virtuales del cerebro en su conexión con robots.
Dos años y medio después de su lanzamiento el proyecto europeo de simulación del cerebro presentó en marzo 2016 sus primeras plataformas para la comunidad científica.
Las plataformas incluyen equipo de cómputo, software y bases de datos. Ellas son el corazón de la nueva infraestructura para la investigación del cerebro proporcionada por HPB.
Estas herramientas incluyen una plataforma de neuro-informática para la investigación y el análisis de los datos de la neurociencia, así como una plataforma de computación de alto rendimiento para procesar la enorme cantidad de información generada por el proyecto. La plataforma de simulación proporciona software para la reconstrucción de los circuitos neuronales.
Otras plataformas se refieren a la gestión de los datos reales de pacientes para el estudio de las enfermedades del cerebro, el desarrollo de los circuitos informáticos llamados neuro-mórficos que imitan la función de las neuronas y finalmente la experimentación de modelos virtuales del cerebro en su conexión con robots.
Proyecto
Conectoma Humano (HCP)
El
objetivo del Proyecto Conectoma Humano es construir un "mapeo de red"
que aclare la conectividad anatómica y funcional dentro del cerebro humano
sano, así como producir un conjunto de datos que facilite la investigación de
los trastornos cerebrales tales como dislexia, autismo, enfermedad de Alzheimer
y esquizofrenia.Trazar el conectoma humano en niños y adultos sanos ayudará a los investigadores a descubrir el papel que los circuitos del cerebro desempeñan durante el desarrollo y el envejecimiento, así como informar a nuestra comprensión sobre los numerosos trastornos cerebrales, deterioro cognitivo y enfermedades mentales.
Desde el año 2010 el proyecto se encuentra
desarrollando una novedosa investigación neurocientífica que tiene como
propósito lograr un mapeo integral del cerebro para obtener datos sobre la
organización de sus conexiones estructurales y la conformación de dinámicas
funcionales. Recientemente, estas investigaciones realizadas sobre cerebros de
adultos sanos se han extendido hacia el estudio de cerebros patológicos, desarrollando
hipótesis sobre algunos trastornos neuropsiquiátricos, tales como la
esquizofrenia, que, de confirmarse, significarían un gran avance para el campo
de la psiquiatría.
Los científicos han descubierto muchos vínculos entre aumentos, disminuciones e interrupciones de la conectividad cerebral con una amplia gama de enfermedades y trastornos mentales.
Los científicos han descubierto muchos vínculos entre aumentos, disminuciones e interrupciones de la conectividad cerebral con una amplia gama de enfermedades y trastornos mentales.
Se
espera que los estudios futuros sobre el conectoma humano amplíen de manera
significativa el conocimiento sobre el cerebro: sus redes funcionales y
estructurales, su desarrollo, envejecimiento y sus alteraciones en diversas
patologías, tales como la esquizofrenia, el autismo y el Alzheimer.
Nuevo mapa del cerebro
Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, han publicado en la revista Nature en julio 2016, un mapa preciso de 180 áreas de la corteza cerebral.
Han descubierto 97 nuevas áreas del córtex cerebral, la capa más externa del cerebro, involucrada en la percepción sensorial, el lenguaje, el uso de herramientas y el pensamiento abstracto.
Para llevar a cabo esta titánica tarea, los investigadores han recurrido a los datos generados por el Proyecto Conectoma Humano. Los autores utilizaron la información del cerebro de 210 adultos jóvenes de ambos sexos y dividieron el cerebro en 180 áreas tanto del hemisferio izquierdo como del derecho basándose en diferencias físicas – como el grosor del córtex –, funcionales – áreas que responden a los estímulos del lenguaje – y diferencias en la conectividad de ciertas regiones.
El software del cerebro, cómo funciona, inicialmente está correlacionado con la estructura del cerebro (su hardware). Para averiguar qué puede hacer el cerebro, hay que comprender cómo está organizado y conectado.
Después de dibujar el mapa en un conjunto de cerebros, los investigadores desarrollaron un algoritmo para reconocer las regiones en un nuevo conjunto de cerebros donde el tamaño y los límites varían de persona a persona.
Para que otros investigadores también puedan profundizar en estos mapas, los expertos han desarrollado también un software que detecta automáticamente la huella digital de cada una de estas nuevas áreas en los escáneres cerebrales.
Hicieron un programa de aprendizaje automático para recrear un nuevo mapa para cualquier cerebro, lo cual ayudará a los científicos y médicos para el estudio de las diferencias individuales en la estructura del cerebro y la enfermedad, y de nuevas maneras de diagnosticar trastornos cerebrales.
El objetivo principal de este mapa es ayudar a unificar la neurociencia proporcionando un marco para que los estudios de imágenes cerebrales sean más fácilmente comparables y replicables, un punto particularmente destacado dado controversias recientes cuestionando la validez de miles de estudios de imágenes cerebrales.
Nuevo mapa del cerebro
Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, han publicado en la revista Nature en julio 2016, un mapa preciso de 180 áreas de la corteza cerebral.
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| Mapa con 180 regiones del córtex cerebral |
Para llevar a cabo esta titánica tarea, los investigadores han recurrido a los datos generados por el Proyecto Conectoma Humano. Los autores utilizaron la información del cerebro de 210 adultos jóvenes de ambos sexos y dividieron el cerebro en 180 áreas tanto del hemisferio izquierdo como del derecho basándose en diferencias físicas – como el grosor del córtex –, funcionales – áreas que responden a los estímulos del lenguaje – y diferencias en la conectividad de ciertas regiones.
El software del cerebro, cómo funciona, inicialmente está correlacionado con la estructura del cerebro (su hardware). Para averiguar qué puede hacer el cerebro, hay que comprender cómo está organizado y conectado.
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| Los investigadores usaron un escáner de MRI para observar la actividad cerebral mientras los participantes escuchaban historias. Rojo y amarillo indican regiones de activación. |
Para que otros investigadores también puedan profundizar en estos mapas, los expertos han desarrollado también un software que detecta automáticamente la huella digital de cada una de estas nuevas áreas en los escáneres cerebrales.
Hicieron un programa de aprendizaje automático para recrear un nuevo mapa para cualquier cerebro, lo cual ayudará a los científicos y médicos para el estudio de las diferencias individuales en la estructura del cerebro y la enfermedad, y de nuevas maneras de diagnosticar trastornos cerebrales.
El objetivo principal de este mapa es ayudar a unificar la neurociencia proporcionando un marco para que los estudios de imágenes cerebrales sean más fácilmente comparables y replicables, un punto particularmente destacado dado controversias recientes cuestionando la validez de miles de estudios de imágenes cerebrales.
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