Primera reconstrucción y simulación digital de un fragmento de neocorteza cerebral

El neocórtex o neocorteza es la estructura más “humana” del sistema nervioso, ya que es la región de la corteza cerebral relacionada con las capacidades que diferencian al ser humano de otros mamíferos, como por ejemplo, el lenguaje, la imaginación o la capacidad de abstracción.

Un equipo internacional de investigadores, miembros de los proyectos europeos Blue Brain (Cajal Blue Brain en España) y Human Brain Project, ha completado la primera reconstrucción informática detallada de un fragmento de esta región de la corteza cerebral.

El trabajo, publicado en la revista Cell, representa la culminación de 20 años de experimentación biológica, durante los cuales se ha generado el conjunto de datos primordial, y 10 años de trabajo de ciencia computacional, en los que se desarrollaron los algoritmos y la construcción del ecosistema de software necesario para reconstruir y simular el tejido de forma digital. A pesar de que los resultados obtenidos están lejos de ser suficiente como para reconstruir un mapa completo de los microcircuitos de todo el cerebro, es un primer paso fundamental para empezar a predecir muchos de los datos restantes necesarios para la simulación total.

Según Javier DeFelipe, Profesor de Investigación del Instituto Cajal (CSIC)/Centro de Tecnología Biomédica (UPM), investigador de CIBERNED, y director del proyecto Cajal Blue Brain, esta investigación “demuestra que la reproducción digital del cerebro humano y la simulación detallada de su funcionamiento es posible— aunque sea a largo plazo—, y que hemos dado un primer impulso gigantesco para llegar a alcanzarla”. Estos proyectos están consiguiendo “profundizar y avanzar de forma notable en el trabajo iniciado por Santiago Ramón y Cajal hace más de 100 años”, pionero en la descripción de la microanatomía y de los circuitos del sistema nervioso.

Los investigadores de este estudio llevaron a cabo miles de experimentos en el neocórtex de ratas jóvenes, y catalogaron cada tipo de neurona y de sinapsis encontrada. Se identificaron patrones fundamentales que describen cómo se organizan las neuronas en el microcircuito y cómo están conectadas por las sinapsis, y desarrollaron un algoritmo capaz de predecir las localizaciones de los casi 40 millones de sinapsis en esos microcircuitos. Este algoritmo, según explicó Michael Reimann, uno de sus autores, “comienza colocando modelos 3D realistas de neuronas en un volumen virtual, respetando la distribución de diferentes tipos de neuronas, y detecta las más de 600 millones de localizaciones donde se tocan las ramas de las neuronas”. Posteriormente, elimina sistemáticamente todos los contactos que no encajan con cinco reglas biológicas de conectividad, “lo que nos deja con 37 millones de contactos, que son las localizaciones donde construimos nuestras sinapsis del modelo”, añadió.

Para modelar el comportamiento de las sinapsis, los investigadores integraron los datos de sus experimentos y los datos de la literatura científica, consiguiendo “calcular las corrientes iónicas que fluyen a través de 37 millones de sinapsis mediante la integración de datos para sólo algunas de ellas”, según explicó Srikanth Ramaswamy, uno de los autores principales.

Los investigadores hallaron similitudes entre los datos de conectividad de la reconstrucción digital y las mediciones hechas en tejido biológico –que no había sido utilizado en la reconstrucción–, incluyendo las realizadas por el laboratorio de Javier DeFelipe, quien confirmó que la reconstrucción digital es plenamente comparable con los datos obtenidos en su laboratorio mediante diversas técnicas microanatómicas.

El equipo de Javier DeFelipe ha contestado a las preguntas más frecuentes sobre este proyecto:

¿En qué consiste la reconstrucción digital del tejido cerebral?

Se trata de un modelo matemático que permite reconstruir y simular digitalmente tejido cerebral. La reconstrucción contiene detalles de la anatomía y la fisiología de cada neurona y cada sinapsis en un volumen seleccionado de tejido biológico. De esta forma se podrán reproducir experimentos en el tejido cerebral y en animales vivos.

¿Qué son los microcircuitos neocorticales?

En el cerebro, las neuronas están conectadas por sinapsis que pasan las señales generadas por una neurona a otras. Un conjunto de neuronas conectadas forma un circuito. Los microcircuitos son las conexiones de corto alcance (menos de medio milímetro) entre las neuronas que hay en un volumen de tejido cerebral. Como los circuitos estudiados provienen de la neocorteza, se denominan "microcircuitos neocorticales".

¿Podréis realizar la reconstrucción de todo el cerebro?

El objetivo del proyecto es realizar la reconstrucción de todas las regiones del cerebro, primero de los roedores y posteriormente de seres humanos. Pero antes, hay que superar muchos desafíos, en los que ya se está trabajando, como la creación de nuevas herramientas, mayor potencia de cálculo, más datos y nuevos algoritmos.

¿Permitirá esta reconstrucción entender mejor el cerebro?

El proceso de reconstrucción del cerebro es en sí mismo enormemente informativo. Las reconstrucciones y simulaciones digitales proporcionan una nueva forma de hacer neurociencia.

Además, una vez que se haya establecido que la simulación proporciona respuestas fiables a cuestiones científicas, los investigadores podrán explorar nuevas preguntas utilizando la simulación, antes de comprobarlo en tejido cerebral. Esto les permitiría realizar experimentos de forma más rápida, fácil y a menor coste.