Human Brain Project: el reto de simular el cerebro

¿Qué es el Human Brain Proyect?

En octubre del 2013, la Comisión Europea para el Futuro y las Tecnologías Emergentes (FET) lanzó una iniciativa de investigación internacional con un objetivo ambicioso: simular el cerebro humano. Con este proyecto, el Human Brain Project (HBP), la Unión Europea estableció una plataforma de investigación de punta que durante 10 años estudiará el cerebro interdisciplinarmente, desde las escalas moleculares hasta los procesos cognitivos superiores. Para lograr este objetivo, la sociedades de investigación involucradas se plantearon seis caminos a seguir:

• Crear una infraestructura en la unión europea para la investigación del cerebro.
• Estudiar y divulgar datos que permitan entender las enfermedades del sistema nervioso.
• Desarrollar teorías y modelos que permitan entender el funcionamiento del cerebro
• Simular el cerebro
• Desarrollar computación inspirada en el cerebro, análisis de datos y robótica,
• Asegurarse de que todo este esfuerzo internacional beneficie a la sociedad.

Para quienes nos desempeñamos en la investigación neurocientífica estos objetivos son ambiciosos y difíciles de conseguir, pero al mismo tiempo son un reto fascinante. Aunque la tarea no es fácil, es un incentivo parar hacer la mejor ciencia de la que disonemos. 

¿Nos ayudará el Human Brain Project a entender el cerebro?

En primer lugar, el HBP ha desarrollado atlas tridimensionales del cerebro en alta resolución que permiten dilucidar la citoarquitectura del tejido nervioso con los más recientes criterios de clasificación anatómicos [2]. El primero, denominado BigBrain Atlas, es un atlas del cerebro humano disponible como una plataforma on-line, que se desarrolló gracias a la colaboración entre investigadores canadienses y alemanes. El segundo, el Waxholm Atlas, es un atlas volumétrico de acceso abierto que ofrece la anatomía del cerebro de la rata Sprague Dawley. Este recurso fue construido a partir de resonancia magnética, que permite observar la citoarquitectura del tejido; y diffusion tensor imaging (DTI), que muestra las conexiones entre las distintas áreas del cerebro. En segundo lugar, se han realizado algunos avances en la comprensión de distintos procesos cognitivos y patologías del sistema nervioso central (SNC).

Por ejemplo, se han estudiado los procesos metabólicos de pacientes con alteraciones del estado de consciencia o coma para ayudar al diagnóstico y tratamiento clínico [1]. Se ha identificado que la estimulación magnética trascraeana activa las dendritas neuronales de las capas corticales superiores, lo que permite tratamientos no invasivos del SNC [5]; y se han explorado por primera vez los cambios en la actividad sináptica de neuronas individuales durante distintas fases del sueño [6]. Actualmente el proyecto está enfocado en el área de las ciencias cognitivas, explorando memoria episódica, reconocimiento y reconstrucción multisensorial, y los mecanismos de la consciencia.

Simulación del cerebro

El anhelo de simular el cerebro tiene como fin explorar los principios matemáticos y poner a prueba las teorías alrededor del funcionamiento del SNC. Del mismo modo, con las herramientas de simulación suficientes, se puede reducir el número de experimentos animales, validar datos experimentas de modelos in vivo con modelos computacionales, y estudiar enfermedades del SNC in silico. Para este fin, el HBP desarrolló la Brain Simulation Platform (BSP), un compendio de herramientas computacionales que permite que los científicos reconstruyan y simulen sistemas cerebrales en diferentes niveles, desde modelos moleculares y celulares, hasta complejos procesos cognitivos y patologías psiquiátricas. Aunque puede sonar extraño, yo mismo he sido testigo del trabajo que lleva el departamento de Neurociencia Computacional de la Ruhr Universität Bochum, en Alemania, donde se utiliza MathLab para simular las diferentes fases de la depresión.

Efectos terapéuticos

Se introducen también, matemáticamente, efectos terapéuticos, para evaluar las posibilidades de recuperación o recaída. Una aproximación bastantes extraña para mi perfil clínico, pero al mismo tiempo, un camino que apunta hacía los principios lógico-matemáticos del funcionamiento del SNC. Asimismo, el proyecto desarrolló la Plataforma de Computación Neuromórfica, que utiliza aspectos de la biología del SNC para copiarlos digitalmente en circuitos electrónicos. Con esto se busca desarrollar una herramienta para entender los procesos de aprendizaje y desarrollo humanos, utilizando plataformas de machine learning y, por otra parte, inspirarse en el modelo neuronal para generar computación.

Existe un núcleo principal llamado SpiNNaker, ubicado en la ciudad de Manchester, Inglaterra, que conecta 500.000 procesadores en red para el intercambio de señales neuronales. A su vez, el BrainScaleS es un dispositivo ubicado en Heidelberg, Alemania, que implementa electrónica análoga de 4 millones de neuronas y mil millones de sinapsis in silico. Como fruto de este alto poder computacional, se espera que en los próximos años se puedan desarrollar algoritmos de reconocimiento de imagen y sonido para dispositivos como computadores personales o celulares. Más adelante, en una perspectiva a largo plazo, se plantea que estas tecnologías de computación permitan integrar dispositivos electrónicos que ayuden a las tareas domésticas. En otras palabras, si todo sale como se espera, estas dos máquinas serán las precursoras de los primeros robots comerciales en el futuro próximo. ¿10, 20, 50, 100 años? Es difícil saberlo, pero ocurrirá en algún momento. 

Plataforma médica on-line

Una de las contribuciones más sobresalientes del HBP es una plataforma on-line que permite la interacción entre los diferentes involucrados en el área de la salud, investigadores, epidemiólogos, clínicos, desarrolladores y compañías farmacéuticas. El objetivo principal de esta plataforma es hacer uso efectivo del tremendo nivel de datos disponible a nivel mundial. De esta manera, la Medical Informatics Platform (MIP) pretende proveer de la infraestructura y las herramientas para incentivar colaboraciones que permitan determinar los diferentes mecanismos biológicos que llevan a patologías del SNC. La primera versión de la plataforma se lanzó en el 2016 para el uso de hospitales europeos y comunidades de investigadores que fueron reclutados para hacer una primera evaluación del proyecto. Los investigadores que quieran hacer parte de la red, pueden solicitar acceso a la plataforma en la página web del HBP [3].

Educación del público

Se deben resaltar también las intenciones de divulgación que tiene el HBP. Existen distintos escenarios en el que la ciencia y la medicina en particular generan curiosidad, y en algunos casos, preocupación en diferentes comunidades. Por ejemplo, en un evento en el que estuve la semana pasada, Carlos Moedas, comisionado encargado de Investigación, Ciencia e Innovación de la Unión Europea, manifestaba su preocupación respecto al conocimiento que tiene el público sobre la ciencia. Indicó que en Francia el 40% de las personas no cree en los beneficios de las vacunas, pero tampoco saben cómo funciona una vacuna.

El comisionado indicó que uno de los papeles más importantes de la ciencia en el siglo XXI es mostrar al público cómo funciona el proceso de investigación y los beneficios que trae a los distintos aspectos de la vida. Por fortuna, el HBP tiene eso en cuenta y entre sus objetivos se encuentra crear espacios de divulgación y diálogo con el público para resolver controversias emergentes. Para tal fin, por ejemplo, la Junta de Tecnología de Dinamarca ha organizado encuentros y seminarios con el fin de discutir sobre el HBP, robótica y computación. 

¿Qué nos depara el futuro? ¿ Qué nos depara el Human Brain Project?

Solo hasta el 2023 conoceremos cuáles fueron los alcances del HBP. La simulación de los principios funcionales del cerebro es una tarea ardua, pero es una tarea en progreso. Diariamente veo como mi compañero de oficina, Egor Dzyubenko, intenta incorporar cada vez más variables a sus simulaciones de redes neuronales. Ahora, intenta añadir astrocitos a la red, una variable muy importante [4]. Es probable que la generación actual de jóvenes adultos sean testigos de los primeros robots domésticos, en todo el sentido de la palabra. ¿Qué tanto podremos aprender sobre el cerebro? ¿Hasta dónde llegará el poder de computación? ¿Llegaremos a algún límite insuperable? Esperemos que el ingenio humano nos lleve cada vez más lejos.

Referencias bibliográficas

1. Bodart, O., Gosseries, O., Wannez, S., Thibaut, A., Annen, J., Boly, M., … Laureys, S. (2017). Measures of metabolism and complexity in the brain of patients with disorders of consciousness. NeuroImage: Clinical, 14, 354–362.
2. Human Brain Project (2017). Explore the Brain.
3. Human Brain Project (2017). Medical Informatics Plataform. 
4. Manrique-Castaño, D. (2016). El cerebro es mucho más que neuronas: La unidad Neurovascular. 
5. Murphy, S. C., Palmer, L. M., Nyffeler, T., Müri, R. M., & Larkum, M. E. (2016). Transcranial magnetic stimulation (TMS) inhibits cortical dendrites. ELife, 5(MARCH2016).
6. Olcese, U., Bos, J. J., Vinck, M., Lankelma, J. V., van Mourik-Donga, L. B., Schlumm, F., & Pennartz, C. M. A. (2016). Spike-Based Functional Connectivity in Cerebral Cortex and Hippocampus: Loss of Global Connectivity Is Coupled to Preservation of Local Connectivity During Non-REM Sleep. Journal of Neuroscience, 36(29), 7676–7692.