Para que usted pueda acabar ese informe pendiente o completar la hoja de Excel que le espera en el ordenador, un entramado de circuitos en su cerebro trabaja vertiginosamente, conectando intrincadas rutas celulares.
Todavía no conocemos bien cómo funciona ese complejo 'cableado' que maneja su organismo con enorme precisión, aunque la neurociencia está dando pasos de gigante para desvelar sus misterios.
El último de estos hallazgos remarcables es resultado del proyecto MiCrONS y ofrece esta semana el mapa más detallado que se ha elaborado hasta la fecha de las conexiones que ligan estructura y función en el cerebro del ratón.
El consorcio de más de 150 investigadores de distintas instituciones, liderado por el Instituto Allen de EEUU, ha estado más de 10 años trabajando para elaborar este atlas que describe los pormenores de lo que sucede en un milímetro cúbico de la corteza cerebral de un ratón, concretamente de su área visual.
En ese minúsculo volumen, equivalente a una semilla de amapola, los científicos han podido cuantificar y detallar alrededor de 84.000 neuronas, 524 millones de sinapsis y más de 5,4 kilómetros de 'cableado' neural que, en conjunto, permiten dibujar un atlas de alta resolución de cómo se organizan y trabajan en conjunto en el cerebro las diferentes líneas celulares.
Todos los detalles del trabajo y las técnicas desarrolladas con inteligencia artificial para recabar los datos, que se pondrán en abierto a disposición de la comunidad científica, se publican en 10 estudios que han visto la luz este miércoles en las revistas Naturey Nature Methods.
"Es el mapa más completo conocido hasta ahora, porque incluye la estructura con una resolución espectacular, de nanómetros, y además combina esos datos con el registro de la actividad funcional de muchísimas neuronas", señala Juan Lerma, líder del laboratorio de Fisiología Sináptica del Instituto de Neurociencias de Alicante, quien subraya que esta aportación supone "un paso de gigante" que "abre una ventana a futuro" para entender el funcionamiento del cerebro humano y abordar distintas enfermedades.
Coincide con su opinión Lidia Ripoll, investigadora postdoctoral en el Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica de Cambridge (Reino Unido), que participó recientemente en la descripción del primer mapa inalámbrico del sistema nervioso del gusano C. elegans. "Desde mi punto de vista, es igual de valioso el conjunto de datos que han creado como las nuevas herramientas tecnológicas que desarrollaron para recopilar esta información. Como han demostrado, estas innovaciones permitirán estudiar regiones más grandes del cerebro, tanto del ratón como de otras especies, de forma más rápida y detallada en el futuro", apunta.
También Rafael Yuste, director del Centro de NeuroTecnología de la Universidad de Columbia (Nueva York, EEUU), considera que "esta remesa de artículos es uno de los resultados más impresionantes de la iniciativa BRAIN, que empezó con el presidente Obama en 2013 y durará hasta el año 2030", tal y como ha señalado en declaraciones a SMC España.
Detalles de la investigación
Para llevar a cabo su trabajo, los investigadores registraron en primer lugar la actividad de múltiples neuronas en la corteza visual de los animales, para lo que se valieron de modelos de ratón modificados genéticamente para que sus neuronas emitieran una proteína fluorescente cuando estuvieran activas. Así, registraron la actividad de decenas de miles de neuronas mientras los animales estaban expuestos a películas y distintos vídeos de YouTube para activar su corteza visual. En el momento de la exposición, la cabeza de los animales estaba fijada para registrar su actividad cerebral, pero podían caminar en una rueda de hámster.
Después de ese experimento, los científicos tomaron un milímetro cúbico del área de la corteza visual estudiada y lo cortaron en aproximadamente 28.000 finísimas secciones (más de mil veces más finas que un cabello humano). A cada una de ellas la sometieron a innovadoras técnicas de microscopía electrónica que permitieron tomar una imagen en altísima resolución.
Por último, mediante inteligencia artificial y herramientas de 'machine learning', los científicos reconstruyeron la estructura y las conexiones en un modelo en 3D.
El desarrollo permitió a los investigadores relacionar directamente las neuronas que se activaban cuando los animales contemplaban las imágenes con la estructura cerebral a escala nanométrica que había revelado la microscopía electrónica.
El conjunto de datos, subrayan los autores del trabajo, permite identificar nuevas características y tipos celulares, así como nuevos principios y formas de clasificar las células.
Por ejemplo, el trabajo ha identificado y cuantificado cuáles son las neuronas excitadoras, cuáles son las neuronas inhibitorias, las neuronas presinápticas a otras neuronas y cuál es la relación entre ellas, cuántas sinapsis se producen...
Lerma compara el hallazgo con abrir una radio cuyo funcionamiento se desconoce y encontrarse un mapa de los circuitos que permita identificar para qué sirve cada uno de los cables, conexiones y resistencias que existe en su interior.
"Es una cantidad de información enorme que estará ahí disponible para todo el que quiera estudiar esta área", destaca el científico que subraya que, en su opinión, entre otros avances, el hallazgo tendrá un gran impacto en el campo de la neurocomputación.
Según explica Lerma, los principios de conectividad que se han mostrado a nivel estructural y funcional "parecen cumplir un papel clave en el procesamiento de aprendizaje". Un patrón que, además, es compartido "por sistemas biológicos y artificiales".
"Los circuitos biológicos nos están ensañando cómo desarrollar y diseñar circuitos artificiales para que sean capaces de aprender mejor y de reproducir procesos biológicos. Y eso abre una enorme ventana a futuro para entender cómo funciona el cerebro y por qué, cuando un circuito se altera, surge un funcionamiento erróneo que llamamos enfermedad", concluye.