Iluminando el cerebro una neurona y sinapsis a la vez: 5 lecturas esenciales sobre cómo los investigadores están utilizando nuevas herramientas para mapear su estructura y función
August 4, 2022
- Assistant Health and Biomedicine Editor - The Conversation UK
La Iniciativa BRAIN de Estados Unidos pretende dilucidar la conexión entre la estructura y la función del cerebro. Science Photo Library - PASIEKA/Brand X Pictures via Getty Images
Los científicos saben mucho y muy poco
sobre el cerebro. Con miles
de millones de neuronas y trillones de conexiones entre ellas,
y las limitaciones experimentales de examinar el asiento de la conciencia y la
función corporal, estudiar el cerebro humano es un desafío técnico, teórico y
ético. Y uno de los mayores desafíos es quizás uno de los más
fundamentales: ver cómo se ve en acción.
La Iniciativa
de Investigación del Cerebro de EE. UU. a través del Avance de Neurotecnologías
Innovadoras (BRAIN) es una colaboración entre los Institutos
Nacionales de Salud, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de
Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias, la Administración de Alimentos y
Medicamentos y la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de
Inteligencia y otros. Desde su inicio en 2013, su objetivo ha
sido desarrollar y utilizar nuevas tecnologías para examinar cómo cada neurona
y circuito neuronal se une para “registrar, procesar, utilizar, almacenar y
recuperar grandes cantidades de información, todo a la velocidad del
pensamiento. ”
Así como la secuenciación genómica permitió la
creación de un mapa completo del genoma humano , las
herramientas que dilucidan la conexión entre la estructura y la función del
cerebro podrían ayudar a los investigadores a responder preguntas de larga data
sobre cómo funciona el cerebro, tanto en la enfermedad como en la salud.
Estas cinco historias de nuestros archivos cubren investigaciones que han sido financiadas por o promueven los objetivos de la Iniciativa BRAIN, detallando una porción de lo que sigue en neurociencia.
1. Mapeo del cerebro
Los intentos de trazar un mapa de la
estructura del cerebro se remontan a la antigüedad , cuando los filósofos y los
eruditos solo tenían el ojo desnudo para trazar un mapa de la anatomía para que
funcionara. Las nuevas técnicas de visualización del siglo XX
llevaron al descubrimiento de que, al igual que todos los demás órganos del
cuerpo, el cerebro está compuesto de células individuales: neuronas .
Ahora, nuevos avances en microscopía que hacen uso de la inteligencia artificial y la genómica han permitido a los científicos no solo ver cada neurona individual en todo el cerebro, sino también identificar las conexiones entre ellas y comenzar a determinar su función.
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| Al hacer zoom en esta imagen de alta resolución del cerebro de un ratón, se revelan líneas rectangulares donde se unieron mosaicos de imágenes individuales, cada punto de color representa un tipo de célula específico. Yongsoo Kim , CC BY-NC-ND |
El neurocientífico Yongsoo Kim de Penn State comparó este método con un mosaico de fotos, juntando áreas del cerebro que no se habían cartografiado antes. “Es como construir un mapa de Google del cerebro”, escribió Kim. “Al combinar millones de fotos de calles individuales, puede acercarse para ver cada esquina de la calle y alejarse para ver una ciudad entera”. La creación de estos mapas de alta resolución, escribió, podría ayudar a los científicos a desarrollar nuevas teorías sobre cómo funciona el cerebro y conducir a mejores tratamientos para trastornos cerebrales como la demencia.
2. Pliegues y arrugas cerebrales
Otra pregunta fundamental sobre la que
los investigadores han estado desconcertados es cómo el cerebro desarrolla los
bultos y surcos que acribillan su superficie. Hasta aproximadamente
el segundo trimestre del desarrollo fetal,
el cerebro humano es completamente liso.
Los científicos han propuesto una serie
de teorías sobre la mecánica del plegamiento del cerebro. Uno de
ellos, el crecimiento tangencial diferencial ,
postula que los pliegues se forman debido a un desajuste en las tasas de
crecimiento entre las capas externa e interna del cerebro. Para aliviar
las fuerzas que comprimen la capa exterior y restaurar la estabilidad
estructural, las capas se pandean y se pliegan.
Los investigadores de Harvard modelaron cómo el plegamiento reduce la inestabilidad causada por las tasas de crecimiento diferenciales en el cerebro.
El ingeniero biomecánico Mir Jalil Razavi y el científico
informático Weiying Dai de la Universidad de
Binghamton crearon modelos para aclarar esta
teoría. Identificaron otros factores que también pueden estar en juego,
como la cantidad de axones, la parte de la neurona que transmite señales
eléctricas, en un área particular. “Nuestros modelos cerebrales brindan
una posible explicación de por qué los cerebros pueden formarse de manera
anormal durante el desarrollo, lo que destaca el importante papel que desempeña
la estructura del cerebro en su correcto funcionamiento”, escribieron.
3. Dónde se almacenan los recuerdos
Al igual que la memoria RAM de una
computadora, los recuerdos ocupan espacio físico en el cerebro. Los
investigadores han planteado la hipótesis de que los recuerdos pueden
almacenarse mediante la reorganización de las conexiones, o sinapsis ,
entre las neuronas. Si bien esta teoría se ha confirmado en gran medida al
observar los
cambios en las señales eléctricas que producen las neuronas
después de la formación de la memoria, no está claro qué desencadena estos
cambios.
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| Neuronas en el cerebro de un pez vivo, con sinapsis de color verde. Zhuowei Du y Don B. Arnold , CC BY-NC-ND |
El ingeniero biomédico Don Arnold de la Universidad del Sur de California y sus colegas adoptaron un enfoque de mapeo. Compararon mapas 3D de sinapsis de pez cebra antes y después de la formación de la memoria, es decir, aprender a asociar una luz con un estímulo desagradable. Descubrieron que una región del cerebro ganaba sinapsis mientras que otra se destruía, lo que indica que los recuerdos asociativos pueden ser el resultado de la formación y pérdida de conexiones entre las neuronas.
Estos hallazgos implican que algún día podría ser posible tratar afecciones como el TEPT borrando físicamente la memoria asociativa que vincula un desencadenante inofensivo con una experiencia traumática. Se necesita más investigación y hay consideraciones éticas obvias que abordar. "Sin embargo", escribió Arnold, "es tentador imaginar un futuro lejano en el que la cirugía sináptica podría eliminar los malos recuerdos".
4. Las convulsiones secuestran las vías
de la memoria
Las convulsiones son oleadas repentinas
de actividad eléctrica en el cerebro. Las personas que experimentan
convulsiones del lóbulo temporal a veces no pueden recordar lo que sucedió
inmediatamente antes. Esto puede deberse a interrupciones en los circuitos
del hipocampo, la parte del lóbulo temporal clave para la consolidación de la
memoria.
Los investigadores de neurología Anastasia Brodovskaya y Jaideep Kapur de la Universidad de
Virginia plantearon la hipótesis de que las convulsiones pueden causar pérdida
de memoria al usar las mismas vías que usa el cerebro
para procesar los recuerdos. Mapearon las neuronas de los ratones que
aprendieron a navegar por un laberinto y durante las convulsiones inducidas, y
descubrieron que ambos casos activaron los mismos circuitos cerebrales.
“Debido a que usan las mismas vías
cerebrales, las convulsiones pueden interrumpir el proceso de consolidación de
la memoria al tomar el control del circuito”, escribieron. “Esto
significaba que las convulsiones pueden secuestrar las vías de la memoria y
causar amnesia”.
5. Lo que sabe la nariz
Lo que el ojo no puede ver, la nariz
puede para muchos organismos. Desde los perros hasta los mosquitos, muchos
animales se comportan de una manera que les permite detectar y perseguir un
olor mucho antes de que se vea su origen.
Los científicos John Criminaldi , Brian Smith , Elizabeth Hong y Nathan Urban de la red de
investigación Odor2Action utilizan tecnología para
estudiar el olfato o el sentido del olfato. Rastrean cómo la forma de una columna de olor informa
cómo se detectará, cómo esas moléculas de olor se traducen en señales
eléctricas en el cerebro y cómo estas señales eléctricas se reformatean en
información útil que influye en el comportamiento.
Una mejor comprensión del sistema
olfativo, escribieron, puede conducir al desarrollo de narices
electrónicas que hacen que la búsqueda de armas químicas y
víctimas de desastres sea más segura para personas y animales. También
creen que examinar el sistema olfativo puede ayudar a avanzar en el estudio del
cerebro. “Su relativa simplicidad es lo que permite a los científicos como
nosotros estudiarlo de principio a fin y aprender cómo funciona el cerebro como
un todo”, escribieron.
Si bien una gran teoría unificada del
cerebro sigue siendo difícil de alcanzar, las nuevas herramientas y técnicas
están ayudando a los investigadores a excavar sus profundidades
ocultas. Como lo expresaron Crimaldi y su equipo: "Creemos que un
futuro emocionante en el desarrollo científico y médico está justo debajo de
nuestras narices".
Entrevistados
1. Anastasia Brodovskaya
Becaria posdoctoral en neurología, Universidad de Virginia
2. Brian H Smith
Fideicomisarios de ASU Profesor, Universidad Estatal de Arizona
3. Don Arnold
Profesor de Ciencias Biológicas e Ingeniería Biomédica, USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences
4. Elizabeth Hong
Profesor Asistente de Neurociencia, Instituto de Tecnología de California
5. Jaideep Kapur
Profesor de Neurociencia y Neurología, Universidad de Virginia
6. Juan Criminaldi
Profesor de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectónica, Universidad de Colorado Boulder
7. Mir Jalil Razavi
Profesor Asistente de Ingeniería Mecánica, Universidad de Binghamton, Universidad Estatal de Nueva York
8. Nathan Urbano
Rector y vicepresidente sénior, Lehigh University
9. Weiying Dai
Profesor Asistente de Informática, Universidad de Binghamton, Universidad Estatal de Nueva York
10. Yongsoo Kim
Profesor Asociado de Ciencias Neurales y del Comportamiento, Penn State
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