El mapa de la actividad cerebral

Investigadores explican los objetivos y la estructura de un nuevo proyecto para hacer un mapa del cerebro.

^{Foto: Una molécula fluorescente en las neuronas de un ratón brillan cuando las células cerebrales se activan.}

Se espera que la Casa Blanca anuncie, a finales de este mes, una proposición de esfuerzo conjunto para hacer un mapa de la actividad cerebral a gran escala, lo que podría ayudar a los neurocientíficos a comprender los orígenes del conocimiento, la percepción y otros fenómenos. Estos tipos de actividad cerebral no se comprenden demasiado bien por ahora, en parte porque surgen de la interacción de grandes series de neuronas cuyos esfuerzos coordinados los científicos no pueden seguir.

"Hay toda clase de herramientas increíbles para estudiar el mundo microscópico de las células individuales", afirma John Donoghue, neurocientífico de la Universidad de Brown (EE.UU.) y participante en el proyecto. "Y a nivel macroscópico tenemos herramientas como la resonancia magnética y los electroencefalogramas que nos hablan del funcionamiento del cerebro y su estructura, pero a baja resolución. Hay un vacío en medio. Tenemos que registrar muchas, muchísimas neuronas en el momento preciso en el que se activan, con precisión temporal y en áreas amplias", afirma.

Un artículo publicado el jueves de la semana pasada  en la versión en línea de Science, amplía los objetivos del proyecto, ya ambiciosos de por sí, algo más allá de registrar la actividad de todas las neuronas individuales en un circuito simultáneamente. Los investigadores también deberían encontrar formas de manipular las neuronas dentro de esos circuitos y comprender la función del circuito a través de nuevos métodos de análisis de datos y modelado, según los autores.

Comprender cómo se comunican las neuronas unas con otras a través de grandes áreas del cerebro será clave para comprender cómo funciona este, según los participantes en el proyecto. Otros esfuerzos por hacer un mapa de las conexiones físicas del cerebro ya están en marcha (ver "Cartografía del cerebro a escala masiva"), pero analizan cerebros estáticos o solo son capaces de obtener una visión aproximada de cómo se comunican las regiones del cerebro. Es probable que el nuevo proyecto empiece a aplicar sus novedosas y aún no desveladas tecnologías sobre cerebros más sencillos, como los de las moscas, y posiblemente tarde décadas en cumplir sus objetivos.

Se espera que numerosos líderes de los campos de la neurociencia, la nanotecnología y la biología sintética colaboren con el esfuerzo. "Necesitamos algo a gran escala para crear herramientas para el futuro", afirma Rafael Yuste, neurobiólogo de la Universidad de Columbia (EE.UU.) y miembro del proyecto. "Nos vemos como creadores de herramientas. Creo que podríamos proporcionar métodos a la comunidad científica para usar durante la próxima fase de la neurociencia".

Además de profundizar en el conocimiento del cerebro, el proyecto también puede dar lugar a nuevos tratamientos para desórdenes psiquiátricos y neurológicos. "Si comprendemos de verdad cómo emergen los pensamientos, el conocimiento y otros detalles del cerebro, tendremos una mejor comprensión de los cambios de humor, el Parkinson, la epilepsia y otras enfermedades que se cree derivan de problemas en los circuitos cerebrales a escala de todo el cerebro", afirma Donoghue.

Se espera que los detalles sobre qué ideas tecnológicas verán la luz verde y cuánto dinero recibirán para reforzar su desarrollo se revelen en el anuncio de la Casa Blanca que está por llegar. Es probable que el proyecto esté respaldado por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencia, la Agencia de Proyectos Avanzados de Defensa, la Oficina de Política de Ciencia y Nanotecnología, y fundaciones privadas, según los participantes. Aún no está claro cuánto dinero hará falta o a qué tecnologías se dará prioridad.

Sean cuales sean las tecnologías emergentes, es probable que la nanotecnología tenga un papel en el proyecto, en parte por la necesidad de sensores más pequeños y más rápidos para registrar la actividad neuronal en el cerebro. Los sensores existentes pueden registrar la actividad eléctrica de las neuronas, pero normalmente estos chips siguen a menos de 100 neuronas en un momento dado y no pueden registrar la actividad de las neuronas adyacentes, algo necesario para comprender cómo interactúan unas neuronas con otras. Paul Weiss, director del Instituto NanoSystems de California en la Universidad de California en Los Ángeles (EE.UU.), y participante en el proyecto, afirma que las técnicas de nanofabricación podrían abordar este problema con chips más pequeños que llevaran sondas eléctricas e incluso químicas. "Llevamos una década en la que ha habido una inversión bastante sustancial en ciencia y tecnología para desarrollar esta capacidad... para controlar cómo lo que hacemos interactúa con los mundos químicos, físicos y biológicos", afirma.

También puede haber novedosas técnicas ópticas que contribuyan al proyecto de mapa cerebral. En la actualidad hay muchos grupos de investigación usando tintes fluorescentes sensibles al calcio para estudiar la activación de neuronas, pero Yuste quiere desarrollar una técnica óptica que use tintes fluorescentes sensibles al voltaje para lograr una lectura más rápida. "Las neuronas se comunican usando voltaje", explica. "Nos gustaría poder desarrollar imágenes por voltaje para poder medir la actividad neuronal directamente".

Aunque hay muchos aspectos del proyecto aún por aclarar, una cosa queda clara, habrá muchos datos que almacenar, compartir y analizar. "Solo hemos empezado a arañar la superficie de cómo tratar con datos en espacios de grandes dimensiones", afirma Terry Sejnowski, neurocientífico computacional del Instituto Salk (EE.UU.). "Si hablamos de un millón de neuronas, nadie es capaz de imaginarse siquiera el aspecto que tiene eso, va mucho más allá de lo que somos capaces de percibir en tres dimensiones".

El artículo de Science también proporciona una línea temporal aproximada. Dentro de cinco años deberíamos poder seguir la actividad de decenas de miles de neuronas; dentro de 15 años, un millón de neuronas. El cerebro de una mosca tiene unas 100.000 neuronas, el de un ratón, unos 75 millones y el de un humano unos 75.000 millones. "Con un millón de neuronas, los científicos podrán evaluar la función de todo el cerebro del pez cebra o varias zonas de córtex cerebral del ratón", escriben los autores.