Cartografía cerebral

Cartografía cerebral: presente y futuro

Introducción

Estamos creando el mapa de nuestro cerebro, como cuando descubrimos América. BRAIN (acrónimo en inglés de Investigación del Cerebro mediante Neurotécnicas Avanzadas e Innovadoras) y el europeo Proyecto Cerebro Humano.

El papel de Brodmann

Un pionero en la creación de un mapa cerebral fue el médico alemán Korbinian Brodmann(1868-1918). Basado en la anatomía de la corteza creó un mapa de la misma identificando 47 regiones basado en elementos funcionales y microestructurales.

Tenía el convencimiento que cada área citoarquitectónica constituía un órgano que cumplía una función determinada. Adepto a las teorías evolucionistas de Darwin distinguió una corteza cerebral filogenética más antigua (paleo corteza) y una más reciente (neocorteza), comparó las distintas áreas entre diferentes mamíferos dándole una misma numeración a áreas homólogas.

¿Actividad neural y conductas específicas?

Necesitamos poder relacionar la actividad de las neuronas con conductas específicas. Poseemos la tecnología para medir la actividad de neuronas individuales en humanos vivos,pero para estudiar los circuitos tenemos que monitorear simultáneamente la actividad de miles o incluso millones de neuronas.

En la medida que logremos nuevas tecnologías que consigan este fin lograremos encontrar patrones de actividad cerebral que se asocien con trastornos psiquiátricos y neurológicos.

Podremos entonces con el avance de estas técnicas asociar la actividad del cerebro con rasgos que identifiquen nuestra personalidad. La forma cómo interactúan neuronas individuales entre si dan lugar a propiedades emergentes.

Prototipos

Existen prototipos basados en sensores eléctricos capaces de medir la actividad de decenas de miles de neuronas. Además se están desarrollando técnicas biológicas para visualizar la actividad de neuronas vivas. Una de ellas consiste en modificar genéticamente a las neuronas para que emitan luz fluorescente con la entrada de calcio a la célula, la emisión de luz indicaría que está activa.

Luego esta luz sería tomada por un microscopio especialmente diseñado para este fin. No solo se dispondrían chips para detectar la actividad de las neuronas sino también chips para activarlas. Estos dispositivos podrían modificar la conducta al activar determinados circuitos neuronales.

En la medida que tengamos nuevos métodos con mayor definición aumentará la cantidad de datos que deberemos manipular, por lo cual deberemos desarrollar  tecnologías novedosas en cuanto al hardware y software que puedan manejar tanta información.

Un desafío en el que la inteligencia artificial nos ayudará a encontrar patrones para cada caso de estudio. Los datos obtenidos de digitalizar la actividad de un cerebro humano serán comparables con la totalidad de contenidos digitales de la actualidad.

Proyecto Cerebro Humano

Un proyecto desafiante en cuanto al volumen de datos requeridos es el proyecto Cerebro Humano europeo, cuyo objetivo es crear una simulación del cerebro en tiempo real para interactuar con ella.

Las supercomputadoras actuales se verían  colapsadas por tremendo volumen de informes provenientes de distintas regiones del cerebro. Estos retos nos obligan a desarrollar nuevos lenguajes de programación que permitan comprimir información para aumentar la eficiencia delos superordenadores.

El desarrollo de nueva instrumentación que nos proporcionará la posibilidad de  visualizar en forma simultánea la actividad de millones de neuronas solo será posible con el trabajo mancomunado e interdisciplinario a nivel mundial.

En la actualidad utilizamos la Resonancia Magnética funcional (RMf) que mide las propiedades magnéticas de los átomos de hidrógeno que componen el agua logrando medir la irrigación sanguínea.

Dado que las neuronas con mayor actividad necesitan mayor irrigación sanguínea este sería un indicador indirecto de la actividad cerebral. Por su parte, otra tecnología conocida como Magnetoencefalografía(MEG) permite medir en forma directa la actividad neuronal dado que detectan los diminutos campos magnéticos que generan las neuronas al activarse.

Una variante dela RM es la imagen por tensor de difusión (ITD). Esta técnica mide el movimiento de las moléculas de agua en el cerebro permitiendo visualizar la fibra nerviosa en la sustancia blanca. Los largos axones conectan áreas cerebrales.

Estas vías resultan decisivas en numerosas funciones cerebrales, de ahí la importancia de conocerlas en detalle utilizándose para el diagnóstico de algunas enfermedades neurológicas. Este estudio funcional puede combinarse con estudios anatómicos ayudando a cartografiar las distintas vías de comunicación en el cerebro.

El atlas tridimensional

Un interesante proyecto consistió en realizar un atlas tridimensional de la actividad genética cerebral. Se cartografió cuales genes se hallaban activos en cada área del cerebro.

Entre los humanos, a pesar de nuestras diferencias, los patrones de actividad genética son casi idénticos. Al comparar con otros mamíferos se observó que los patrones en ratones difieren notablemente de los humanos.

En los primates, en cambio, son similares por lo que las diferencias con ellos residen fundamentalmente en la conexión entre neuronas y no en la expresión genética.

Denominamos conectoma a un mapa de las conexiones de las neuronas del cerebro, su producción y estudio se conoce como conectómica.

El proyecto conectoma humano promete brindar un diagrama estructural del cableado cerebral. Esta nos dará la base para conocer las propiedades emergentes que se generan al conectarse las neuronas, donde el todo no es la mera suma de las partes.

Podremos comprenderlos circuitos neuronales asociados a trastornos como el Alzhéimer,Párkinson,autismo, esquizofrenia etc. Necesitamos conocer las anomalías en los circuitos para poder tener un tratamiento eficaz.

Los numerosos avances en los diversos métodos para obtener imágenes cerebrales en tiempo real proporcionarán información para la detección temprana de diversas enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer o Párkinson.

Inclusive permitirá conocer rasgos de la personalidad de cada persona. Los escáneres cerebrales de niños darán la posibilidad de realizar pronósticos personalizados de futuras capacidades cognitivas como facilidad para aprender idiomas o matemática.

Nos podrán pronosticar predisposición a adicciones u otros trastornos como los relacionados con la ansiedad.

¿Un futuro lejano?

En un futuro cercano los escáneres cerebrales nos ayudarán en muchos ámbitos más allá de la salud. Podremos detectar patrones en reclusos que predicen la probabilidad devolver a delinquir, como también podrán servir como un detector de mentira.

Algunos tribunales en diversos países están empezando a admitir estos estudios como evidencias. Aún no son suficientes para inculpar como única evidencia pero pueden ayudar en el proceso judicial.

La convergencia de diversas tecnologías con el objetivo de poder ver nuestro cerebro en vivo,tanto en su anatomía como funcionamiento, generarán cambios revolucionarios que no solo se aplicarán en el ámbito de la salud.

Asimismo revolucionará la justicia, la educación, la psicología etc. permitiendo el desarrollo de nuevas tecnologías que impactarán fuertemente en nuestras vidas.

Referencias bibliográficas

  1. Cohen, M et al. (2008) Connectivity-basedsegregation of the human striatum predicts personality characteristics. Neuroscience.Vol. 12, págs. 32-34
  2. Hawrylycz M. et al. (September 2012.Ananatomically comprehensive atlas of the adult human brain transcriptome.Nature, vol. 489, págs. 391. 399.
  3. Helmstaedter M. et al. (2013). Connectomics reconstructions of the inner plexiform layer in the mouse retina. Nature, vol.500. Pags. 168-174.

Daniel Pozzi

Daniel Pozzi

Biólogo especializado en Neurociencia.

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