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

Investigadores de Google han presentado 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 medio grano de arroz. Este mapa, que requirió la asombrosa cantidad de 1.4 petabytes de datos para codificarse, muestra neuronas individuales y sus intrincadas conexiones con una claridad notable.

A pesar de ser una parte minúscula del cerebro, el mapa ha llevado a descubrimientos sorprendentes. "Por ejemplo, notamos que algunos de los cables neuronales se retorcían en nudos masivos", dice el científico de investigación de Google Viren Jain. "No tenemos idea de por qué ocurre esto, es algo que nadie había visto antes."

Ahora, Viren y su equipo están enfocando su atención en los cerebros de ratones, y por una razón convincente. Estos pequeños mamíferos podrían ser la clave para desentrañar algunos de los misterios más profundos de nuestras propias mentes. Preguntas como: ¿Cómo almacenamos y recuperamos recuerdos? ¿Cómo reconocemos objetos y rostros? ¿Por qué necesitamos tanto sueño? ¿Y qué falla en condiciones como el Alzheimer y otras enfermedades cerebrales?

"La principal razón por la que carecemos de respuestas a estas preguntas es que aún 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 "conectoma", 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 tarea sencilla; requiere obtener imágenes del cerebro a una resolución de nanómetros y manejar enormes volúmenes de datos. Es un desafío técnico que demanda innovación continua en imágenes, algoritmos de IA y herramientas de gestión de datos. Por eso, hace una década, Google Research estableció su equipo de Conectómica.

Durante los últimos diez años, el equipo ha logrado 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 llenado por inundación, que automatizan el rastreo de neuronas en imágenes cerebrales utilizando aprendizaje automático, eliminando la necesidad de coloreado 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 multidimensionales grandes.

Sin embargo, mapear el conectoma completo del cerebro humano sigue siendo un objetivo lejano. Requeriría analizar hasta un zettabyte de datos, mil millones de terabytes, lo que actualmente está más allá de nuestro alcance tecnológico. "Mapear todo el cerebro humano ahora mismo costaría 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 Conectómica 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 conectomas para partes de los cerebros de pinzones cebra y larvas de pez cebra. Y en mayo, el mapa detallado de 1 milímetro cúbico de tejido cerebral humano fue publicado en Science.

Los conjuntos de datos de estos proyectos han sido utilizados por miles de investigadores en todo el mundo, lo que ha llevado 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 inhibidoras, destacadas en azul.

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

Sin los medios para mapear todo el cerebro humano, analizar un conectoma de ratón es un próximo paso práctico. Es lo suficientemente pequeño como para ser viable y podría generar conocimientos aplicables a los cerebros humanos. "Cuando examinas el cerebro de un ratón bajo un microscopio electrónico, se parece notablemente al cerebro humano. Es esencialmente una versión en miniatura", dice Jeff W. Lichtman, profesor de biología molecular y celular en Harvard. Por eso, los ratones se utilizan a menudo para estudiar trastornos cerebrales humanos.

Los ratones representan la última frontera en la conectómica, 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 el cerebro de un ratón es 1,000 veces más pequeño que el de un humano, mapearlo sigue siendo un desafío técnico formidable. El conjunto de datos de un solo conectoma de cerebro de ratón a resolución de nanómetros podría ser el conjunto de datos biológico más grande de la historia, estimado en 20,000-30,000 terabytes.

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

Si tiene éxito, el proyecto de cerebro de ratón del equipo de Conectómica será la primera vez que los científicos mapeen parte de un hipocampo de mamífero y la sección de cerebro más grande jamás intentada mapear.

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