La Cumbre del Proyecto Cerebro Humano (HBP) tuvo lugar en Marsella en marzo de 2023. Fue la cumbre final del proyecto, ya que llega a su conclusión en septiembre, marcando los 10 años del proyecto de ciencia del cerebro digital más grande de Europa. El Proyecto Cerebro Humano ha sido uno de los mayores proyectos de investigación jamás apoyados por la Unión Europea.
Esta cumbre ofreció un foro para intercambios interdisciplinarios estimulantes y de alta calidad en una amplia gama de campos, desde la neurociencia hasta la informática, la ingeniería, las matemáticas y la medicina. La Cumbre del Proyecto Cerebro Humano destacó los logros del proyecto Flagship.
En su fase final, que va de abril de 2020 a septiembre de 2023, el Proyecto Cerebro Humano se centra en tres áreas científicas centrales – las redes cerebrales, su papel en la conciencia y las redes neuronales artificiales – así como en la expansión de la innovadora infraestructura EBRAINS y sus herramientas. y servicios.
La informática de alto rendimiento impulsa la investigación
La cumbre también analizó el futuro de la infraestructura EBRAINS y de la investigación del cerebro digital, y discutió una visión científica para la próxima década de investigación del cerebro digital, que contribuirá a la preparación de una Asociación europea emergente para la salud del cerebro.
INfraestructuraS Europeas de Investigación del Cerebro (EBRAINS)
Descripción
EBRAINS es una infraestructura digital distribuida en la interfaz de la neurociencia, la informática y la tecnología. Es una "ventanilla única" que ofrece a los científicos y desarrolladores de tecnología las herramientas y los servicios más avanzados para la investigación del cerebro, incluidos los servicios de datos FAIR, el atlas cerebral de próxima generación, las plataformas de simulación y el análisis de big data basado en IA. EBRAINS cataliza nuevos hallazgos en la ciencia y tecnologías e informática innovadoras inspiradas en el cerebro para ayudar a alcanzar una comprensión más profunda del cerebro humano.
Ingresado en la hoja de ruta de ESFRI en 2021, EBRAINS es un resultado importante del proyecto Cerebro Humano UE FET Flagship y proporcionará el núcleo de coordinación de la estructura posterior a FET. Está impulsado por la Infraestructura como servicio (IaaS) de la red Federated Exascale para la integración e intercambio de datos (Fenix), en sí mismo un modelo para otras comunidades de investigación. Desde 2019, EBRAINS es una Asociación Internacional sin fines de lucro de derecho belga (AISBL), cuyos miembros representan actualmente a siete países europeos.
EBRAINS es un acelerador de las ambiciones europeas en la investigación multidisciplinar del cerebro, que combina la neurociencia de vanguardia, la informática de alto rendimiento y la inteligencia artificial. Ofrece a los investigadores una amplia gama de datos cerebrales y un entorno de investigación digital que conecta muchas de las instalaciones de laboratorio, centros de supercomputación, clínicas y centros tecnológicos más avanzados de Europa en un sistema integrado único.
Cómo utilizan los científicos EBRAINS
Usando tecnologías de escaneo cerebral, los científicos pueden crear mapas que muestren el cableado del cerebro, que consta de fibras de materia blanca que unen diferentes partes de la materia gris del cerebro. Las parcelas o centros más altamente conectados se indican mediante puntos azules y blancos.
Mapear el cerebro humano es un objetivo noble, pero bastante mal definido. Es como hacer un mapa de los Estados Unidos. Simplemente podría mostrar los límites políticos y las ubicaciones de las ciudades. O podría representar características geográficas como montañas y ríos. O rutas de transporte, como autopistas interestatales y vías férreas. Incluso puede ir a Google Maps hasta el final y mostrar la ubicación de cada casa individual.
El Proyecto Conectoma Humano
Una década de logros
Desde su inicio en 2013, el HBP ha aportado impresionantes avances científicos a la neurociencia. Por ejemplo, entregó el atlas más detallado hasta el momento del cerebro humano, contribuyó a medir la conciencia en sí misma, avanzó en el conocimiento de los mecanismos neuronales subyacentes a la visión y la memoria, mejoró la cirugía de epilepsia con modelos cerebrales digitales, desarrolló un implante cerebral para ayudar las personas ciegas a ver, así como tecnologías neuroderivadas desarrolladas para hacer que las máquinas sean más inteligentes.
Uno de los principales resultados del Proyecto Cerebro Humano es la capacidad de adaptar y personalizar modelos cerebrales. El poder predictivo de estos modelos ha ido aumentando gradualmente y puede ser de gran beneficio en el descubrimiento de biomarcadores tempranos para enfermedades como la enfermedad de Alzheimer.
El estudio Human Brain Project ofrece información sobre la organización de los receptores de neurotransmisores
Los investigadores del Proyecto Cerebro Humano y las instituciones colaboradoras han logrado avances significativos en la comprensión de la distribución de los receptores en el cerebro. Realizaron un estudio de mapeo integral, publicado en Nature Neuroscience en junio de 2023.
Los receptores son moléculas vitales involucradas en la transmisión de señales dentro del cerebro. Mientras que la transmisión de información dentro de una neurona se produce a través de señales eléctricas a lo largo del axón, la comunicación entre neuronas a menudo requiere la liberación de moléculas de neurotransmisores en el espacio extra-celular, donde se unen a los receptores de la neurona objetivo.
Los investigadores de HBP emplearon auto-radiografía para examinar la densidad de los receptores de neurotransmisores en secciones delgadas de cerebro in vitro. Analizaron la densidad de 14 tipos diferentes de receptores de neurotransmisores en 109 áreas de la corteza del macaco. Luego, estos datos se integraron con varios parámetros estructurales en plantillas de neuroimagen.
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| Un nuevo mapeo de los receptores corticales revela una asociación entre la organización micro-estructural y los sistemas funcionales del cerebro |
El equipo de investigación descubrió dos gradientes distintos de expresión de receptores por neurona, lo que les permitió mapear las densidades de receptores en la corteza. Este avance arrojó luz sobre la relación entre la organización molecular y neuronal de la corteza. Se descubrió que los dos ejes principales de la organización de los receptores se alinean con dos sistemas funcionales diferentes: las redes de cognición sensorial-cognitiva y externa-interna. Esta nueva asociación nunca había sido descrita antes.
Para mejorar aún más su investigación, los investigadores integraron los datos de receptores de neurotransmisores recién adquiridos con múltiples capas de información anatómica y funcional, creando un espacio cortical común dentro de la superficie cortical de Yerkes19, una plantilla de primates no humanos de uso frecuente.
Los esfuerzos de los investigadores para mapear la distribución de los receptores en el cerebro han brindado información valiosa sobre la organización y la funcionalidad de la corteza. Este avance en la comprensión del panorama de los receptores del cerebro podría allanar el camino para futuras investigaciones y el desarrollo de modelos computacionales más precisos, lo que en última instancia profundizará nuestra comprensión de la adaptabilidad y el funcionamiento del cerebro en un mundo cambiante.
Mejorar la tasa de éxito de la cirugía para pacientes epilépticos
Los investigadores simulan una versión digital del cerebro de cada paciente utilizando The Virtual Brain, una herramienta computacional disponible en EBRAINS, que luego puede reflejar la propagación de la actividad convulsiva en el cerebro de un paciente. Este conocimiento permite a los neurocirujanos enfocarse en las áreas epileptogénicas durante la cirugía con mayor precisión.
Robots didácticos de visión y tacto
En la nueva infraestructura de investigación de EBRAINS, los neurocientíficos cognitivos, los modeladores computacionales y los especialistas en robótica ahora están trabajando juntos para arrojar nueva luz sobre los mecanismos neuronales detrás de esto, mediante la creación de robots cuyo funcionamiento interno imita el cerebro.
Para acelerar esta investigación, el robot se ha recreado como una simulación en la plataforma de neurorobótica de la infraestructura de investigación EBRAINS. Todas las herramientas de código y análisis del trabajo están abiertas en EBRAINS, para que los investigadores puedan realizar sus propios experimentos.
Complejidad cerebral y conciencia
Si la física explica todos los fenómenos del universo, y si la conciencia es parte del universo, entonces parece que la física puede explicar la conciencia. Necesitamos una mejor comprensión de cómo el cerebro crea modelos: del mundo, de un yo en el mundo y de un yo que experimenta subjetivamente el mundo.
Percepción y memoria de objetos
La comprensión de la escena, en contraste con el reconocimiento de objetos, intenta analizar los objetos en contexto con respecto a la estructura 3D de la escena, su diseño y las relaciones espaciales, funcionales y semánticas entre los objetos. La investigación en esta área combina la detección/reconocimiento de objetos con la reconstrucción 3D y el razonamiento espacial. Los científicos creen que el análisis integrado de las características de la imagen de bajo nivel, junto con los modelos de objetos 3D y semánticos de alto nivel, permitirán una sólida comprensión de la escena en entornos complejos y ambiguos y proporcionarán la base para un mayor razonamiento.
Neuroprótesis visual integral Neurolight
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| Entorno hardware/software para experimentación con neuroprótesis visuales |
La investigación ha dado como resultado los primeros implantes cerebrales intracorticales ensayados con personas ciegas. Una retina artificial codifica patrones visuales a partir de las imágenes captadas por unas gafas con cámara y los envía como señales neuronales al cerebro a través de una prótesis implantada en el córtex visual, generando en personas ciegas percepciones visuales de utilidad, como formas y letras.
El objetivo es ayudar mediante implantes cerebrales a que personas ciegas recobren, aunque sea parcialmente, su visión funcional. El resultado es que la retina artificial es capaz de predecir el nivel de activación de neuronas ganglionares de una retina biológica al percibir imágenes. Se transforma ese nivel de activación neuronal en parámetros de estimulación eléctrica para el electrodo implantado en el cerebro.
Etapas siguientes
Sobre la base de los éxitos del Proyecto Cerebro Humano, la Comisión está trabajando ahora con los Estados miembros en una iniciativa más amplia. En particular, los Estados miembros han solicitado más colaboraciones y coordinación para la investigación sobre la salud del cerebro a través de una asociación estratégica que sin duda reforzaría la posición de Europa en el escenario mundial de la investigación sobre el cerebro. Digital Brain Research desempeñará un papel importante en el contexto de dicha asociación.
La próxima década de investigación del cerebro digital: una visión para la neurociencia en la intersección de la tecnología y la computación
Esta nueva ciencia del cerebro integra investigación básica de alta calidad, integración sistemática de datos en múltiples escalas, una nueva cultura de colaboración a gran escala y traducción a aplicaciones. Un enfoque sistemático, como el Proyecto Europeo del Cerebro Humano, será clave para abordar los apremiantes desafíos médicos y tecnológicos de la próxima década.
El trabajo ha sido iniciado por la Junta de Ciencia e Infraestructura del Proyecto Cerebro Humano. El manuscrito es un documento vivo que se está desarrollando aún más en un proceso participativo. Ahora, toda la comunidad de investigación está invitada a contribuir a dar forma a la visión mediante el envío de comentarios.
Los objetivos de este trabajo son
* Discutirlo con la comunidad investigadora en general, con el objetivo de identificar puntos de convergencia y objetivos comunes.
* Proporcionar un marco científico para el desarrollo actual y futuro de EBRAINS.
* Informar e involucrar a las partes interesadas, las organizaciones de financiación y las instituciones de investigación con respecto a la futura investigación del cerebro digital.
* Identificar y abordar cuestiones éticas y sociales clave.
Si bien el equipo no afirma que exista un enfoque de "talla única" para abordar estos aspectos, están convencidos de que las discusiones sobre el tema de la investigación del cerebro digital ayudarán a impulsar el progreso en el campo más amplio de la neurociencia.
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