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por Eduardo Martínez de la Fe
11 Junio
2021
del Sitio Web
Tendencias21
Alrededor de 4000 fibras nerviosas
se conectan a esta única neurona.
Laboratorio Google IA/Lichtman
Una partícula del cerebro humano analizada a nivel celular con un
microscopio electrónico a una resolución de 4 nanómetros, revela
intensas conexiones neuronales en la corteza que estarían
relacionadas con las más altas funciones cognitivas.
Un total de 30 investigadores de la Universidad de Harvard y de
Google AI, la división de Google dedicada a la
Inteligencia
Artificial, han elaborado un intrincado mapa de cada célula y
conexión sináptica en un milímetro cúbico de cerebro humano y
descubierto que es una caja de sorpresas.
Se trata de la muestra más grande de tejido cerebral fotografiado y
reconstruido con este nivel de detalle, en cualquier especie, y el
primer estudio a gran escala de la conectividad sináptica (conectómica)
en la corteza humana, señalan los investigadores.
La muestra es más pequeña que un grano de trigo y representa una
millonésima parte del volumen de todo el cerebro humano. Se obtuvo
de la corteza de una mujer de 45 años que se había sometido a una
operación para la epilepsia.
Una vez extraída, la muestra se conservó adecuadamente y se trató
con metales pesados para dar color a las estructuras celulares, y
pudieran así ser observadas.
Muestra Humana
01
A continuación, la muestra se cortó en 5.000 piezas delgadas y se
obtuvieron imágenes de todas ellas usando potentes microscopios
electrónicos, capaces de observar estructuras celulares a una
resolución de 4 nanómetros (un nanómetro es la mil millonésima parte
de un metro).
Las 225 millones de imágenes 2D individuales obtenidas de esa forma
se alinearon y unieron computacionalmente en una representación
digital tridimensional de la muestra cerebral, a la que han llamado
H01 (muestra humana 01).
Potentes algoritmos de aprendizaje automático segmentaron las
células y clasificaron sinapsis, axones, dendritas y otras
estructuras, para obtener una instantánea digital de 50.000 células
en 3D con sus 130 millones de conexiones entre ellas.
El mapa de este grano de cerebro humano ocupa 1,4 petabytes (un PB
equivale a 1015 bytes) de espacio en disco, algo más de lo que
ocupan 10 años de imágenes satelitales de nuestro planeta
recopiladas por la NASA,
destaca Singularity Hub.
Pero ¿qué está
pasando?
Lo primero que observaron los investigadores al analizar con detalle
una muestra tan pequeña de la corteza cerebral humana, es una
inesperada serie de conexiones sinápticas entre neuronas, mucho más
concentradas que las observadas en cerebros más simples, como los de
los ratones o las moscas.
Ahora que los científicos han contemplado con asombro esa potente
dinámica sináptica, se preguntan qué están haciendo estas conexiones
neuronales tan intensas en la corteza:
suponen que tienen que ver con
reacciones cognitivas como detenernos siempre cuando el semáforo
se pone en rojo.
En cualquier caso, la
muestra ya se ha utilizado para estudiar varios aspectos
interesantes de la organización de la corteza humana, se informa
en un comunicado.
En particular, se han descubierto nuevos tipos de neuronas, así como
la presencia de entradas axonales "atípicas", que establecen
poderosas conexiones sinápticas con las dendritas objetivo.
Si bien estos hallazgos son un comienzo prometedor, la inmensidad
del conjunto de datos de H01 proporcionará una base para muchos años
de estudios adicionales por parte de investigadores interesados en
la corteza humana, señalan los protagonistas de esta proeza
tecnológica.
Un milímetro
cúbico de tejido cerebral humano
capturado en 1,4
petabytes de imágenes.
Google IA.
Funciones
cognitivas
La
corteza cerebral juega un papel crucial en la mayoría de las
funciones cognitivas de nivel
superior, como el pensamiento, la memoria, la planificación, la
percepción, el lenguaje y la atención.
Aunque ha habido algunos avances en la comprensión de la
organización macroscópica de este tejido tan complicado,
su
organización a nivel de las células nerviosas individuales y sus
sinapsis interconectadas es en gran parte desconocida, destacan los
investigadores.
Por eso esperan que este mapa cerebral insólito proporcione nuevos
conocimientos sobre,
cómo funciona el cerebro, desde el pensamiento
hasta las emociones y la memoria, y cómo diagnosticar y tratar mejor
los trastornos cerebrales.
También advierten que siguen existiendo serios desafíos técnicos
para ampliar la cartografía cerebral a nivel de
sinapsis en un cerebro de ratón completo (500 veces más grande que el mapa obtenido
en esta investigación), por lo que resulta mucho más complicado
conseguir lo mismo de un cerebro humano completo.
Datos a
gestionar
Uno de estos desafíos es el almacenamiento de datos:
el cerebro de un
ratón podría generar un volumen de exabytes de datos muy costoso
de almacenar.
Otro desafío se refiere
al
ruido de imagen que es difícil de comprimir.
Por último, señalan los investigadores que el gran tamaño de los
conjuntos de datos futuros requerirá el desarrollo de nuevas
estrategias, para que los científicos se organicen y accedan a la
rica información inherente a los datos conectómicos.
Estos desafíos requerirán nuevos modos de interacción entre los
seres humanos y los datos de mapas cerebrales, en los que estos
investigadores ya están trabajando.
Referencia
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