Los estudios de cerebro del ratón mejoran la comprensión de las mentes humanas

Los investigadores de Google acaban de presentar un mapa increíblemente detallado del cerebro humano, centrándose en una pieza pequeña pero significativa: solo 1 milímetro cúbico de tejido cerebral, aproximadamente del tamaño de la mitad de un grano de arroz. Este mapa, que requirió un asombroso 1.4 petabytes de datos para codificar, muestra neuronas individuales y sus intrincadas conexiones con notable claridad.

Aunque es una parte minúscula del cerebro, el mapa ha llevado a algunos descubrimientos asombrosos. "Por ejemplo, notamos que algunos de los cables neuronales se torcían en estos nudos masivos", dice el científico de Google Research Viren Jain. "No tenemos idea de por qué sucede esto, es algo que nadie ha visto antes".

Ahora, Viren y su equipo están cambiando su enfoque a los cerebros de los ratones y por una razón convincente. Estos pequeños mamíferos podrían mantener la clave para desbloquear algunos de los misterios más profundos de nuestras propias mentes. Preguntas como: ¿Cómo almacenamos y recuperamos recuerdos? ¿Cómo reconocemos objetos y caras? ¿Por qué necesitamos tanto dormir? ¿Y qué mal funcionamiento en condiciones como el Alzheimer y otras enfermedades cerebrales?

"La razón principal por la que carecemos de respuestas a estas preguntas es que todavía nos faltan datos cruciales para estudiar el cerebro", explica Viren.

El cerebro humano, con sus 86 mil millones de neuronas y más de 100 billones de sinapsis, es la maquinaria compleja detrás de nuestros pensamientos, emociones, movimientos e interacciones con el mundo. Al mapear estas conexiones neuronales, o el "Connectome", podemos obtener información sobre cómo funcionan nuestros cerebros y por qué a veces no lo hacen.

Crear mapas detallados a nivel sináptico no es una hazaña pequeña; Requiere imágenes del cerebro en la resolución nanométrica y el manejo de enormes volúmenes de datos. Es un desafío técnico que exige innovación continua en imágenes, algoritmos de IA y herramientas de gestión de datos. Es por eso que, hace una década, Google Research estableció su equipo de Connectomics.

En los últimos diez años, el equipo ha hecho avances significativos en el desarrollo de tecnologías para procesar, analizar y compartir datos de manera más eficiente, acelerando significativamente nuestra comprensión del cerebro. Por ejemplo, introdujeron redes de relleno de inundaciones, que automatizan el rastreo de neuronas a través de imágenes del cerebro utilizando el aprendizaje automático, eliminando la necesidad de colorear manual. También desarrollaron el algoritmo SEGCLR para identificar automáticamente diferentes partes de células y tipos de células dentro de estas redes. Además, crearon software como TensorStore y Neuroglancer para ayudar a almacenar, procesar y visualizar imágenes y volúmenes grandes y multidimensionales.

Sin embargo, el mapeo de todo el conectoma cerebral humano sigue siendo un objetivo lejano. Requeriría analizar un zettabyte de datos, mil millones de terabytes, que actualmente está más allá de nuestro alcance tecnológico. "Mapear todo el cerebro humano en este momento tomaría miles de millones de dólares y cientos de años", admite Viren.

Como resultado, los investigadores se están concentrando en mapear porciones más grandes de cerebros de animales más pequeños o secciones más pequeñas de cerebros de animales más grandes. En 2020, el equipo de Connectomics mapeó con éxito la mitad del cerebro de una mosca de la fruta, descubriendo conexiones entre 25,000 neuronas. Las colaboraciones con otros investigadores también han llevado a la creación de Connectomes para partes del pinzón cebra y cerebros de larvas de pez cebra. Y en mayo, el mapa detallado de 1 milímetro cúbico de tejido cerebral humano se publicó en Science .

Los conjuntos de datos de estos proyectos han sido utilizados por miles de investigadores en todo el mundo, lo que lleva a cientos de descubrimientos publicados.

Los investigadores han construido una imagen 3D de casi todas las neuronas y sus conexiones dentro de una pequeña pieza de tejido cerebral humano. La imagen superior muestra neuronas excitadoras, iluminadas en amarillo, mientras que la imagen inferior muestra neuronas inhibitorias, resaltadas en azul.

El equipo de Connectomics actualmente está colaborando con socios de Harvard, Princeton y otras instituciones para mapear el hipocampo del ratón: la región del cerebro responsable de la formación de memoria, la atención y la navegación espacial, que comprende el 2-3% de todo el cerebro del ratón.

Sin los medios para mapear todo el cerebro humano, analizar un conectoma de ratón es un siguiente paso práctico. Es lo suficientemente pequeño como para ser factible y podría producir ideas aplicables a los cerebros humanos. "Cuando examinas un cerebro de ratón bajo un microscopio electrónico, se ve notablemente similar a un cerebro humano. Es esencialmente una versión en miniatura", dice Jeff W. Lichtman, profesor de biología molecular y celular en Harvard. Es por eso que los ratones a menudo se usan para estudiar trastornos cerebrales humanos.

Los ratones representan la última frontera en Connectomics, pero los neurocientíficos han estado mapeando cerebros cada vez más complejos durante décadas. El primer conectoma fue del cerebro de un gusano, publicado en 1986 después de 16 años de trabajo.

Aunque un cerebro de ratón es 1,000 veces más pequeño que un cerebro humano, mapearlo sigue siendo un desafío técnico formidable. El conjunto de datos de un solo conectoma cerebral de ratón en la resolución nanómetro podría ser el conjunto de datos biológico más grande de la historia, estimado en 20,000-30,000 terabytes.

"No solo adquirir los datos es un desafío, sino que almacenarlos y procesarlos con precisión es otro obstáculo", señala Viren. "Nuestra contribución única ha sido desarrollar herramientas que empujan los límites de la precisión y la aplicación a conjuntos de datos cada vez más grandes".

Si tiene éxito, el proyecto de cerebro del ratón del equipo de Connectomics será la primera vez que los científicos mapearán parte de un hipocampo de mamíferos y la sección cerebral más grande que haya intentado ser mapeada.

"La investigación fundamental es increíblemente valiosa", concluye Viren. "Lo que me emociona es la posibilidad de que algún día comprenda con precisión cómo se forman los recuerdos y qué causa trastornos mentales o enfermedades. Pero para lograr esto, necesitamos seguir avanzando la tecnología de manera que hubiera sido inimaginable hace solo un par de décadas".