Neurocientíficos e informáticos de la Universidad de Princeton, el Instituto Allen y el Baylor College of Medicine acaban de publicar una colección de datos que combina un circuito cerebral en 3D con la función de decenas de miles de neuronas. Este sería el examen más detallado de los circuitos cerebrales de los mamíferos hasta la fecha.
El conjunto de datos, que ya está disponible públicamente para que cualquiera pueda consultarlo y utilizarlo, mapea las estructuras finas y la conectividad de 200.000 células cerebrales y cerca de 500 millones de sinapsis. La información está contenida en un milímetro cúbico de cerebro de ratón -aproximadamente del tamaño de un grano de arena- del neocórtex visual, la parte del cerebro de los mamíferos que procesa lo que ven los ojos.
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“La corteza cerebral es la estructura más grande del cerebro humano y ha alcanzado un estatus casi mítico”, indicó Sebastian Seung, catedrático Evnin de Neurociencia de Princeton y uno de los científicos principales de MICrONS, nombre que recibe el diagrama cerebral. “En el primer año, un miembro del laboratorio me argumentó que incluso el piloto de la fase 1 sería imposible. Avancemos hasta hoy y estamos liberando un milímetro cúbico de corteza de ratón reconstruida, que es 1000 veces mayor que el objetivo de la Fase 1”, señaló en un comunicado oficial.
Los datos de MICrONS, recientemente publicados, contienen el mayor número de células y conexiones de cualquier conjunto de datos de este tipo hasta la fecha, y son lo suficientemente amplios como para captar circuitos locales enteros y formas 3D casi completas de neuronas individuales de ratón. Cabe anotar que, algunas neuronas establecen conexiones a distancias increíblemente largas, enviando sus axones a lo largo de todo el cerebro, y esas conexiones de larga distancia no están representadas completamente en este conjunto de datos.
Sin embargo, se eligió un volumen de un milímetro cúbico para captar los circuitos de las múltiples áreas cerebrales implicadas en la visión y, al mismo tiempo, capturar la estructura del mayor número posible de neuronas enteras. “Las reconstrucciones que presentamos hoy nos permiten ver los elementos del circuito neuronal: las células cerebrales y el cableado, con la posibilidad de seguir los cables para trazar las conexiones entre las células. El último paso es interpretar esta red, momento en el que podremos decir que podemos leer el programa del cerebro”, destacó otro de los desarrolladores de este circuito.
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5 años fueron necesarios para definir el circuito cerebral
Este enorme proyecto, denominado programa de Inteligencia Artificial a partir de Redes Corticales (MICrONS, siglas en inglés), tardó cinco años en completarse y fue financiado por la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia. El objetivo de la investigación era extraer información sobre el cableado cerebral para mejorar el aprendizaje automático. Como indican los realizadores, todo el circuito cerebral se sostiene en tres preguntas clave: ¿Qué hace? ¿Cómo está conectado? ¿Cuál es el programa?, comparando así al cerebro y su funcionamiento con un computador.
Pero el circuito cerebral y sus datos también es valioso para el campo de la neurociencia, tanto para los científicos que buscan entender cómo el cerebro transmite información a lo largo de circuitos definidos, como para los investigadores biomédicos que quieren tratar los trastornos cerebrales en los que el cableado o las conexiones están alterados.
Antes de recopilar los datos estructurales, el equipo de investigación de Baylor captó la actividad de las neuronas en esta parte del cerebro mientras el ratón veía imágenes o películas de escenas naturales. “El neocórtex contiene miles de millones de neuronas que se comunican a través de billones de conexiones que han dotado a los mamíferos de capacidades asombrosas. Una cuestión clave para desentrañar esta desconcertante complejidad es descubrir las relaciones entre las reglas de cableado y las propiedades funcionales de las neuronas”, afirma Andreas Tolias, profesor de neurociencia y director del Centro de Neurociencia e Inteligencia Artificial del Baylor College of Medicine.
Después de los experimentos de Baylor, los investigadores del Instituto Allen conservaron y cortaron el trozo de cerebro en más de 27.000 rebanadas, cada una de ellas de sólo 40 nanómetros de grosor, capturando un total de 150 millones de imágenes de esas rebanadas mediante microscopios electrónicos personalizados. El proceso de corte duró 12 días, durante los cuales equipos de biólogos, ingenieros y desarrolladores de software vigilaron por turnos, listos para detener y reiniciar el instrumento en cualquier momento si el corte se torcía.
A continuación, el equipo de Princeton utilizó el aprendizaje profundo para “segmentar” las imágenes, definiendo cada célula y sus componentes internos de forma individual. Un equipo de ingenieros de software, estudiantes y postdoctorales de Princeton utilizó redes convolucionales, entrenadas minuciosamente durante meses, para alinear las imágenes de secciones seriadas en una pila de imágenes 3D, detectar los límites neuronales e identificar las parejas sinápticas. Cada paso se distribuyó en superordenadores que funcionaron durante días.
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El resultado fueron intrincadas representaciones digitales de 200.000 células cerebrales y de las conexiones entre ellas, muchas de las cuales nunca antes se habían capturado en su forma completa. El circuito cerebral se une a otros diagramas de cableado de cerebros humanos y de moscas de la fruta recientemente publicados y capturados con la misma tecnología: la microscopía electrónica.
Este método revela detalles increíbles de todo un paisaje microscópico; en este caso, la topografía densamente empaquetada de neuronas con púas, astrocitos, vasos sanguíneos y otras células que conforman la materia física del cerebro, así como todos los minúsculos componentes internos de cada célula.
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