Mapendo el cerebro: una frontera científica

El sueño de un mapa del cerebro

Durante siglos, las características funcionales y arquitectónicas del cerebro humano han sido objeto de constante fascinación.

Una de las aproximaciones históricamente más sobresalientes fue la frenología, postulada por el médico y anatomista alemán Franz Joseph Gall (1758-1828). Gall creía que las funciones mentales se localizaban en áreas específicas del cerebro, y que las características superficiales del cráneo podían dar cuenta de su desarrollo.

Aunque posteriormente esta idea se demostró errónea, no debe pasar desapercibido que fue Joseph Gall quien observó, correctamente, que el cerebro consta de materia gris (cuerpos celulares) y materia blanca (fibras nerviosas), y que sin duda, fue quien introdujo la idea de que, de alguna manera, podría concebirse una cartografía del cerebro; una especie de mapa que diera cuenta de características funcionales humanas como el habla, la visión y la comprensión del lenguaje, entre otras.

Primera década del siglo XX

Más adelante, en la primera década del siglo XX, el neurólogo alemán Korbinian Brodmann (1868-1918), culminó el proyecto iniciado por Gall. Este proyecto tuvo como base otros trabajos importantes de neuroanatomistas como Paul Broca (1824-1880) y Carl Wernicke (1848-1905).

Brodmann logró dibujar un diagrama del cerebro humano basado en sus características citoarquitectónicas. Dichos dibujos son el resultado de las observaciones bajo el microscopio, y algunas características funcionales que habían sido recopiladas por decenas de investigadores desde el renacimiento.

Publicó sus hallazgos en “Vergleichende Lokalisationslehre der Grosshirnrinde in ihren Prinzipien dargestellt auf Grund des Zellenbaues” (1909), que se traduce como: Teoría de la localización comparativa de la corteza cerebral y sus principios representados en la estructura celular; un libro que sería la guía para los científicos del cerebro por más de un siglo. Incluso hoy, en la mente de muchos investigadores y profesionales, aún permanecen las 52 áreas cerebrales en las que Brodmann dividió el cerebro humano.

No obstante, aunque la aproximación de Brodmann es útil y ampliamente utilizada en los libros de texto, aulas universitarias y servicios clínicos, es importante tener en cuenta que desde hace casi dos décadas diversos estudios han complementado de manera sustancial la aproximación de Brodmann, por lo que esta solo debe ser considerada como un referente histórico de las cartografías cerebrales con las que se cuenta en la actualidad.  

Mapeo del cerebro: nuevas parcelaciones de la corteza cerebral

Consecuentemente, son reconocidos los neurocientíficos Deepak Pandya, profesor del departamento de Anatomía y Neurobiología de la Universidad de Boston, y Michael Petrides del Instituto y Hospital Neurológico de Montreal. En diversos trabajos, ambos científicos han analizado las conexiones corticales en primates, y las han comparado con muestras humanas de diferente índole.

En uno de sus trabajos más importantes, estos científicos encontraron que el macaco exhibe características citoarquitectónicas en el área 45 de Brodmann (región de la corteza frontal asociada con la producción del lenguaje) similares a las humanas. Asimismo, concluyeron que existe una relación entre el área 47 humana y el área 12 en el cerebro del macaco, lo que los llevó a postular la existencia del área cortical prefrontal 47/12, por sus similitudes citoarquitectónicas.

Así mismo, un estudio con trazadores celulares (track tracers) reveló que esta área posee entradas multimodales, principalmente con la corteza de asociación visual inferotemporal y las áreas límbicas temporales, regiones que forman parte del sistema ejecutivo frontal ventro-medial y que están involucradas en el juicio [6].

En segundo lugar, a través del estudio de la corteza prefrontal, estos investigadores encontraron particularidades funcionales en las conexiones locales que soportan una teoría denominada del doble origen de la corteza cerebral, que sostiene que las conexiones de la corteza prefrontal provienen del archicortex (hipocampo) y del paleocortex.

Por otro lado, se plantea que las conexiones cerebrales largas parecen estar organizadas en relación con las vías dorsales y ventrales de una manera multimodal, lo que quiere decir que hay múltiples vías con las que la corteza prefrontal se conecta con las áreas posteriores del cerebro [10].

Parcelación multimodal del cerebro

Hace pocos meses, haciendo uso de información funcional y anatómica suministrada por el Proyecto Conectoma Humano (Human Connectome Project), los neurocientíficos realizaron una actualización sustancial del trabajo de Brodmann.

Este proyecto constituye una base de datos de las conexiones cerebrales que se cartografían gracias a una técnica llamada DTI (Diffusion tensor Imaging).

Esta técnica permite restear en un scanner de Resonancia Magnética (MRI) las fibras nerviosas que conectan distintas áreas del cerebro gracias a la dispersión del agua presente en los axones celulares [2].

Gracias a ello, Matthew Glasser del Departamento de Neurociencia de La Escuela de Medicina de la Universidad de Washington y sus colegas, lograron reunir datos provenientes de 200 participantes que desarrollaron tareas cognitivas mientras una máquina de MRI escaneaba sus cerebros.

Se obtuvo como resultado una cartografía cerebral, que cuenta con 180 áreas distintas, lo que aumenta así en 100 el número de regiones cerebrales identificadas por sus características funcionales y arquitectónicas a la fecha [1]; lo cual constituye un quebradero de cabeza para los estudiantes de Neurociencia, comparado con las 52 áreas de Brodmann.

El equipo de Glasser desarrolló un algoritmo semiautomático que separaba las áreas cerebrales de acuerdo con sus conexiones, que después eran comparados e interpretados con base en la literatura existente por expertos neuroanatomistas.

En palabras de los autores del estudio: “Generado un mapa neuroanatómico robusto de las áreas neocorticales humanas -un objetivo de hace 100 años en la Neurociencia- y proveyendo métodos para mapear esas áreas en cualquier individuo bajo estudio con neuroimagen no invasiva, el presente trabajo representa un mayor avance en relación con las parcelaciones corticales anteriores, junto con la nueva parcelación, hacen deseable el uso de localización espacial más allá de las coordenadas esterotácticas combinadas con las subdivisiones de Brodmann para caracterizar centros de activación cortical en estudios de fMRI” [1].  

¿Será la Neurociencia la disciplina del futuro?

En el año 2011 se lanzó formalmente en Estados Unidos el Human Connectome Project (HCP), como un proyecto que haría uso de las grandes ventajas de la imagenología no invasiva en humanos y animales.

El paradigma del proyecto incluye: recolectar imágenes multimodales de múltiples sujetos experimentales, adquirir datos con alta resolución espacial y temporal, realizar un pre-procesamiento de todos los datos para minimizar distorsiones y artefactos en los datos, representar los datos usando la geometría natural de las estructuras cerebrales, realizar una alineación precisa entre las regiones cerebrales conocidas y los datos experimentales, y compartir los datos en bases de datos asequibles para todo el mundo. [2-9].

Dos años más tarde, la unión europea lanzó el Proyecto Cerebro Humano (Human Brain Project, HBP), como parte de su horizonte para el 2020 en investigación e innovación.

Este ambicioso proyecto busca promover colaboraciones de investigación alrededor del mundo con el fin de emplear métodos novedosos y de vanguardia en la investigación interdisciplinar del cerebro, agrupando áreas como la Biología, la Medicina, las Ciencias de la computación, la Física y la Ingeniería.

Durante 10 años, el proyecto tiene como objetivos generales describir mejor el cerebro y sus enfermedades, generar teorías y modelos de su funcionamiento para simularlo computacionalmente y desarrollar robótica y principios computacionales basados en el funcionamiento cerebral [3].

Blue Brain Proyect

Por otra parte, el Blue Brain Project (BBP), que tiene como base el École Polytechnique Fédérale de Lausanne, busca reconstruir biológicamente y simular los cerebros del ratón y el humano, con base en el entendimiento de sus diferentes niveles de organización.

Este es tal vez, el proyecto más representativo para quienes se interesan por los modelos computacionales del cerebro y sus diversas características citoarquitectonicas y funcionales, al obtener datos de los niveles, moleculares, celulares, microcircuitos, regiones del cerebro y el cerebro en su totalidad.

El cerebro es tan complejo, que para simularlo hacen falta supercomputadores localizados en países como Suiza, Holanda y Alemania [8].

Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologie

Finalmente, como la contraparte del HBP, el presidente Barak Obama, lanzó en 2013 a través del Departamento de Salud y Servicios Humanos, el conocido como Obama’s Brain Project, o técnicamente Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologie (BRAIN).

Este proyecto busca completar un arsenal de información sobre el cerebro para entender principalmente todo el espectro de enfermedades neurológicas y psiquiátricas.

Para ello, cuenta con siete objetivos principales: mapear la estructura y los componentes de los circuitos cerebrales, grabar actividad neuronal a través del tiempo y el espacio, manipular la actividad de los circuitos cerebrales, entender cómo todo esto se traduce en comportamiento; generar teoría, modelos y estadísticas para entender el cerebro; desarrollar neurotecnología, y educar en métodos interdisciplinares para la investigación [7].

Este plan de acción espera tener un alto y directo impacto en los servicios de neurología y psiquiatría a nivel mundial.  

Conclusiones

Hace poco más de un siglo, Brodmann abrió la caja de pandora para una de las más fascinantes tareas de la ciencia de nuestros días. Aún nos faltan miles de horas de análisis, miles de sujetos realizando tareas en un escáner cerebral, miles de e-mails, miles de llamadas telefónicas, miles de horas frente a un computador y miles de horas de reflexión para completar la ardua pero fascinante tarea de dibujar un mapa completo del cerebro. Si somos afortunados, en las próximas décadas podremos resolver uno de los grandes misterios de las ciencias humanas y las ciencias naturales ¿Qué somos, por qué somos y qué nos hace humanos?

Referencias bibliográficas

  1. Glasser, M. F., Coalson, T. S., Robinson, E. C., Hacker, C. D., Harwell, J., Yacoub, E., … Van Essen, D. C. (2016). A multi-modal parcellation of human cerebral cortex. Nature, 536(7615), 171–8. http://doi.org/10.1038/nature18933
  2. Glasser, M. F., Smith, S. M., Marcus, D. S., Andersson, J. L. R., Auerbach, E. J., Behrens, T. E. J., … Van Essen, D. C. (2016). The Human Connectome Project’s neuroimaging approach. Nature Neuroscience, 19(9), 1175–87.
  3. Human Brain Project. (2016). Overview.
  4. Human Connectome Project (2016). The Human Connectome Project.
  5. Petrides, M., & Pandya, D. N. (2002). Comparative cytoarchitectonic analysis of the human and the macaque ventrolateral prefrontal cortex and corticocortical connection patterns in the monkey. European Journal of Neuroscience, 16(2), 291–310. 
  6. Petrides, M., & Pandya, D. N. (2009). Distinct parietal and temporal pathways to the homologues of Broca’s area in the monkey. PLoS Biology, 7(8).
  7. The BRAIN initiative (2016). Why is BRAIN initiative needed?
  8. The Blue Brain Project. (2016). In brief.
  9. Toga, A. W., Thompson, P. M., Mori, S., Amunts, K., & Zilles, K. (2006). Towards multimodal atlases of the human brain. Nature Reviews. Neuroscience, 7(12), 952–966.
  10. Yeterian, E. H., Pandya, D. N., Tomaiuolo, F., & Petrides, M. (2012). The Cortical Connectivity of the Prefrontal Cortex in the Monkey Brain.Cortex; a Journal Devoted to the Study of the Nervous System and Behavior,48(1), 58–81.

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