Varios equipos de científicos elaboraron recientemente un mapa increíblemente detallado del cerebro humano

El mapa es el resultado de varios estudios coordinados entre si, que han conseguido crear una visión de alta resolución del cerebro de los humanos y de primates no humanos.

Publicado originalmente por Cassandra Willyard el 12 de octubre de 2023

Litografía en color de la sección transversal posterior de un cerebro y una columna vertebral superpuesta a un mapa antiguo. Stephanie Arnett/MITTR | Wellcome Collection

Este artículo apareció por primera vez en The Checkup, el boletín semanal de biotecnología de MIT Technology Review.

Cuando los científicos observaron por primera vez el tejido cerebral al microscopio, vieron un amasijo impenetrable y desordenado. Santiago Ramón y Cajal, el padre de la neurociencia moderna, comparó la experiencia con adentrarse en un bosque con cien mil millones de árboles, "observar cada día trozos borrosos de unos pocos de esos árboles enredados entre sí y, tras unos años así, intentar escribir una guía de campo ilustrada del bosque", según los autores de The Beautiful Brain, un libro sobre el trabajo de Cajal.

Hoy, los científicos tienen un primer borrador de esa guía. En un conjunto de 21 nuevos artículos publicados en tres revistas, los diferentes equipos informan de que han desarrollado atlas celulares de todo el cerebro a gran escala para humanos y primates no humanos. Este trabajo, que forma parte de la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud, es la culminación de cinco años de investigación. "No se trata sólo de un atlas", afirma Ed Lein, neurocientífico del Allen Institute for Brain Science y uno de los autores principales. "Realmente abre un campo completamente nuevo, en el que ahora se puede con resolución extremadamente alta las células de cerebros de especies en las que antes no era posible".

¿Qué es un atlas cerebral y en qué se diferencia de éste?

Un atlas cerebral es un mapa tridimensional del cerebro. Ya existen algunos atlas cerebrales, pero este nuevo conjunto de documentos ofrece una resolución sin precedentes de todo el cerebro humano y de primates no humanos. El atlas del cerebro humano incluye la localización y función de más de 3.000 tipos celulares en individuos adultos y en desarrollo. "Es, con diferencia, la descripción más completa del cerebro humano a este nivel y, para muchas regiones del cerebro, la primera descripción", afirma Lein. Pero aún es un primer borrador.

El trabajo forma parte de la red de censos celulares de la iniciativa BRAIN, que arrancó en 2017 con el objetivo de generar un atlas completo de células cerebrales en 3D para ratones (ese proyecto sigue en marcha). Los resultados comunicados el 12 de octubre formaban parte de un conjunto de estudios piloto para validar si los métodos utilizados en ratones funcionarían en cerebros más grandes. El hecho es que funcionaron y muy bien.

¿Qué descubrieron estos estudios iniciales?

El cerebro humano es muy, muy complejo. Hasta ahora, los equipos han identificado más de 3.300 tipos de células. Y a medida que aumente la resolución (en eso están trabajando ahora), es probable que descubran muchos más. Los esfuerzos para desarrollar un atlas del cerebro de ratón, que están más avanzados, han identificado 5.000 tipos celulares. (Para más información, consulte estos preprints: 1 y 2)

Pero bajo esa complejidad hay algunos puntos en común. Muchas regiones, por ejemplo, comparten tipos de células, pero los tienen en proporciones diferentes.

Y la localización de esa complejidad es sorprendente. La neurociencia ha centrado gran parte de su investigación en la capa externa del cerebro, responsable de la memoria, el aprendizaje, el lenguaje y otros aspectos. Sin embargo, según Lein, la mayor parte de la diversidad celular se encuentra en las estructuras evolutivas más antiguas del interior del cerebro.

¿Cómo se hicieron estos atlas?

El enfoque clásico de la neurociencia para clasificar los tipos celulares se basa en la forma de la célula -pensemos en los astrocitos en forma de estrella- o en el tipo de actividad de la célula -como las interneuronas de respuesta rápida-. "Este nuevo atlas celular aprovecha un nuevo conjunto de tecnologías procedentes de la genómica", explica Lein, principalmente una técnica conocida como secuenciación unicelular.

En primer lugar, los investigadores parten de un pequeño trozo de tejido cerebral congelado procedente de un banco biológico. "Se toma un tejido, se tritura y se perfilan muchas células para tratar de darle sentido", explica Lein. Le dan sentido secuenciando los núcleos de las células para ver los genes que se expresan. "Cada tipo de célula tiene un conjunto coherente de genes que suele utilizar. Se pueden medir todos estos genes y agrupar todos los tipos de células en función de su patrón general de expresión génica", explica Lein. Luego, con los datos de las imágenes del cerebro del donante, pueden colocar esta información funcional donde corresponde espacialmente".

¿Cómo pueden utilizar los científicos estos atlas de células cerebrales?

De muchas maneras. Pero un uso crucial es ayudar a comprender las bases de las enfermedades cerebrales. Un atlas cerebral humano de referencia que describa un cerebro normal o neurotípico podría ayudar a los investigadores a comprender la depresión, la esquizofrenia o muchos otros tipos de enfermedades, afirma Lein. Tomemos el Alzheimer como ejemplo. Se podrían aplicar estos mismos métodos para caracterizar los cerebros de personas con distintos niveles de gravedad de la enfermedad de Alzheimer y, a continuación, comparar las características de los cerebros normales con las de los cerebros neurotípicos. Y ahora se pueden empezar a plantear cuestiones como si determinados tipos de células son vulnerables a la enfermedad o si son causales", afirma Lein. (Forma parte de un equipo que ya está trabajando en ello). En lugar de investigar las placas y los ovillos, los investigadores pueden plantearse preguntas sobre "tipos muy concretos de neuronas que son los verdaderos elementos del circuito que probablemente estén perturbadas y tengan consecuencias funcionales", afirma.

¿Cuál es el siguiente paso?

Una mejor resolución. "La siguiente fase es pasar realmente a disponer de una cobertura muy completa del cerebro humano y de primates no humanos en la edad adulta y en el desarrollo". De hecho, ese trabajo ya ha comenzado con la Red del Atlas Celular de la Iniciativa BRAIN, un proyecto de cinco años y 500 millones de dólares.  El objetivo es generar un atlas de referencia completo de los tipos celulares del cerebro humano a lo largo de toda la vida, así como cartografiar las interacciones celulares que subyacen a una amplia gama de trastornos cerebrales.

Es un nivel de detalle que Ramón y Cajal no podría haber imaginado.

Más información en el archivo de Tech Review

Los atlas cerebrales existen desde hace un minuto. En 2013, Courtney Humphries informó sobre el desarrollo de BigBrain, un atlas del cerebro humano basado en imágenes de resonancia magnética de más de 7.000 cortes cerebrales.

Y en 2017 el proyecto Human Cell Atlas pretende categorizar todas las células del cuerpo humano, como una tecnología revolucionaria. Ese proyecto sigue en marcha.

Los atlas celulares podrían ayudar a proporcionar los datos necesarios para que la IA construya una célula virtual, sostienen Priscilla Chan y Mark Zuckerberg en un artículo de opinión publicado el mes pasado.

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