noviembre 28, 2015

Mapa del Cerebro y Reproducción Tecnológica de las Características del Cerebro Humano


Se necesitan nuevas técnicas, nuevas herramientas diagnósticas y terapéuticas
que muestren la riqueza con la que se comportan los circuitos neuronales en pacientes humanos

Actualización : Enero 13, 2017


Cableado de las neuronas y Atlas anatómico del cerebro prenatal  Dos nuevos estudios amplían el atlas del funcionamiento del cerebro humano


Dos investigaciones realizadas en el Allen Institute for Brain Science, Seattle (EE. UU.), publicadas en la revista Nature en abril 2014, avanzan en el conocimiento de cómo funciona el cerebro humano : el Cableado de las neuronas y el Atlas anatómico del cerebro prenatal.


El cableado de las neuronas

El ratón comparte la arquitectura básica del cerebro humano. Este roedor constituye el mejor modelo experimental para estudiar el funcionamiento cerebral y la eficacia de los fármacos en determinadas enfermedades.

Describir el funcionamiento del cerebro humano es uno de los principales desafíos de la ciencia actual.

El estudio revela, por primera vez, el conectoma – las conexiones cerebrales  a media escala del ratón. Es una resolución intermedia entre la visión a micro escala que describe las sinapsis nerviosas y la macro escala que define las fibras cerebrales.

El conectoma muestra los millones de kilómetros de cableado nervioso que conforman las conexiones neuronales entre las 500 mayores regiones del cerebro.

Los autores examinaron el cerebro de más de 1200 múridos (familia de roedores) para elaborar el Atlas de Conectividad del Cerebro de Ratón de Allen. Inyectaron virus genéticamente modificados y fluorescentes en áreas determinadas del encéfalo de los animales, de manera que convirtieron en visibles los cables salientes de cada neurona. A continuación introdujeron todos los datos en una computadora para obtener una cartografía tridimensional del cerebro ratonil.

Según los expertos esta investigación muestra la organización del cableado neuronal, fundamental para entender cómo procesa la información el sistema nervioso.

Las limitaciones técnicas que existen en el caso humano no permiten obtener una resolución celular. El mapeo está restringido a los haces de axones  prolongación de las neuronas encargadas de transmitir el impulso nervioso  de la materia blanca. La materia gris, por el contrario, contiene unas estructuras complejas difíciles de identificar. Esto significa que los investigadores no han sido aún capaces de “ver” las sinapsis nerviosas, pero que su atlas del cableado neuronal muestra un nivel de detalle más amplio que el de las simples fibras cerebrales.

Tal y como sostienen los autores, el estudio proporciona datos complementarios que describen un mapa a nivel celular con una resolución mil veces mayor que en el cerebro humano.


Atlas anatómico del cerebro prenatal

El estudio revela un detallado atlas anatómico y transcripcional del cerebro prenatal de humano y de ratón. Los neurólogos establecen que los acontecimientos genéticos que suceden durante la gestación diseñan la arquitectura anatómica y funcional del cerebro humano.

El mapa donde se muestra varios genes que se apagan y prenden en un feto en medio del embarazo, puede ayudar a explorar los orígenes de los problemas del cerebro.

Para generar esta huella genética del cerebro en desarrollo, los científicos utilizaron cuatro cerebros humanos de fetos, entre 15 y 21 semanas de gestación, que fueron donados.

Se cree que esto es un periodo crítico para el surgimiento de trastornos del neurodesarrollo como autismo. Los impactos a una región del cerebro llamada la neo-corteza mientras se forma podría tener efectos duraderos.

Los investigadores utilizaron información de los mapas para analizar genes que previamente fueron vinculados al autismo en el cerebro en desarrollo. Encontraron que los genes asociados con el autismo tendían a ser particularmente activos en las recientes neuronas generadas de la corteza. Estas células envían información de una parte del cerebro a otra.

Han descrito nuevas características de los genes que actúan durante el desarrollo del cerebro y han encontrado diferencias entre estas dos especies. Este tipo de diferencias subrayan la importancia de estudiar el cerebro humano en particular para entender con precisión su funcionamiento y sus trastornos.

Sus resultados complementan las conclusiones futuras de las iniciativas BRAIN de Estados Unidos y Human Brain Project de Europa. Se quiere llegar al conocimiento del cerebro de una manera integral. Se busca que los avances de un grupo sean accesibles para que otros los puedan utilizar y que se pueda progresar.


Introducción de cables de polímero en dos regiones del cráneo sin necesidad de dispositivos externos

Según un estudio realizado por científicos de la Universidad de Harvard y publicado en la  revista Nature en junio 2014, se ha conseguido implantar micro-cables en cerebros de ratones.

El estudio tenía como objeto obtener posibles curas para diversas enfermedades neurodegenerativas. La investigación sobre neuronas todavía resulta una incógnita en elementos como la percepción o las emociones y esto ha llevado a una búsqueda científica en la comunidad por encontrar un método preciso.

Cómo funcionan estos nanocables
Cada fibra, que cuenta con un tamaño nano-molecular, tiene alrededor de ella transistores en cada intersección para recopilar los datos. Aunque no ocupan más de un 5% del cable en sí.

El concepto se desarrolló ante el problema de realizar una investigación en un cerebro activo. La respuesta del equipo fue establecer magnitudes microscópicas que no intervinieran de manera invasiva en el cerebro: se encajan en pequeñas cavidades y recovecos como una gasa. Todos estos cables minúsculos están conectados a la computadora donde graban y procesan las actividades cerebrales. Por el momento, estos cables han permitido introducirse en dos regiones del cráneo, en una especie de «polímero de red» de manera parecida a una matriz.

Este trabajo permitirá, en un futuro, realizar investigaciones sobre los trastornos producidos luego de un infarto cerebral o medir de manera más precisa la enfermedad de Parkinson.


BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies), es decir, Investigación del Cerebro a través del Avance de Neurotecnologías innovadoras

Generación tras generación, desde hace más de 100 años, las mentes más brillantes del mundo se han dedicado a investigar el cerebro. Gracias a este trabajo se conoce, por ejemplo, cuál es el funcionamiento de las neuronas individualmente, pero no en términos de circuitos cerebrales. Las neuronas actúan en conjunto pero no hay técnicas para ver esta interacción. La resonancia magnética ofrece una visión muy global de qué partes del cerebro se activan en pacientes con determinadas enfermedades. Sin embargo, no permite concretar qué tipo de neuronas están activándose ni cómo están conectadas. Por esta razón se necesitan técnicas que muestren la riqueza con la que se comportan los circuitos neuronales en animales o pacientes humanos.

El proyecto comenzó en 2013, pero ya se ha podido mapear al completo la actividad cerebral de animales pequeñitos. Concretamente, de un invertebrado que se llama hydra y vive en agua dulce. Tiene un cerebro muy pequeño, de 200 a 2.000 neuronas, es transparente, ideal para hacer microscopía y ver la actividad de todas las neuronas. Igualmente con el pez cebra. Se ha conseguido ver la actividad cerebral de unas 80.000 neuronas de las 100.000 que tiene; es decir, el 80%. En los próximos cinco o diez años se podrá ver la actividad del cerebro entero de la mosca, incluso gran parte de este órgano en el ratón o parte del cerebro de un paciente.

Entre los objetivos de este proyecto se encuentra desarrollar técnicas capaces de medir la actividad de todo el cerebro de un animal pequeño, como la mosca o gusano. En el futuro, esta tecnología puede ayudar a diagnosticar enfermedades cerebrales y neurológicas con mucha más fiabilidad y mucho más temprano.

También facilitaría el conocimiento de lo que los médicos denominan pato-fisiología, es decir, descubrir cuál es el problema a partir del cual se desarrollan los síntomas. En la inmensa mayoría de las enfermedades neurológicas se desconoce la pato-fisiología. Estas técnicas no sólo pueden ayudar a diagnosticar sino a entender la enfermedad.

Otra de las metas de BRAIN es la creación de herramientas para alterar la actividad de los circuitos neuronales. Diseñar tecnología para alterar la actividad de las neuronas que estén afectadas. Por ejemplo, en pacientes con epilepsias crónicas que no responden al tratamiento convencional. La idea es que en el futuro, a estos pacientes se les pueda ayudar a parar las descargas epilépticas, de forma que tengan una vida más normal, o a pacientes con esquizofrenia, en los que algún día se pueda desarrollar métodos para controlar los ataques esquizoides, inhibiendo o estimulando neuronas.

El desarrollo de nuevas técnicas para medir la actividad neuronal también podría facilitar la comprensión sobre cómo el depósito de amiloide  sustancia que se deposita entre las células  da lugar a síntomas cognitivos que derivan en demencias.

Este tipo de herramientas para leer y escribir la actividad cerebral puede ayudar al desarrollo de interfaces cerebro-computadora, para que estos pacientes, a pesar de sus limitaciones físicas, puedan moverse y llevar una vida más o menos normal, ayudados por brazos o piernas robóticas a través de una computadora.

El autismo, al igual que la esquizofrenia, son enfermedades que están expresadas en muchas partes del cerebro. Si se mapease un solo trozo del cerebro de un paciente autista se podrían averiguar claves del problema. Se están haciendo experiencias en modelos de ratón con epilepsia y autismo.


Proyecto Cerebro Humano (Human Brain Project)

En octubre 2013 empezó oficialmente el Human Brain Project (HBP), un megaproyecto financiado por la Comisión Europea con 1.200 millones de euros y en el que participarán durante diez años más de 130 instituciones de investigación en el mundo, 80 de ellas, europeas, pero también de Canadá, China, Israel, Japón y Estados Unidos.

Es un proyecto médico-científico y tecnológico que tiene como fin reproducir tecnológicamente las características del cerebro humano, y de esta forma conseguir avances en el campo de la medicina y la neurociencia. Para que éste proyecto pueda desarrollarse es necesaria la investigación en nuevas TIC, o tecnologías de supercomputación avanzadas que permitan asociar y utilizar la información integrada en modelos informáticos y simulaciones del cerebro que identifiquen patrones, principios organizativos y posibles carencias que puedan ser subsanadas con nuevos experimentos.

El desarrollo del HBP traerá no solo un conocimiento más profundo del cerebro y de cómo tratar mejor las enfermedades cerebrales. También servirá como un acelerador tecnológico para mejorar los superordenadores y desarrollar sistemas totalmente nuevos inspirados en el funcionamiento y las capacidades del cerebro.

Se han alcanzado el 90% de las metas que se fijó el HBP para su primer año de operación  que se articulan a través de los 13 sub-proyectos que lo integran. Entre ellas, la creación de un ‘modelo biológicamente realista cerebral en 3D’, así como la inauguración del Instituto Europeo para la Neurociencia Teórica de París o un atlas en 3D que será la nueva referencia sobre el cerebro, ya que consiguió 50 veces más resolución que su antecesor más elaborado.

Los investigadores del HBP también realizaron simulaciones a gran escala en cuatro superordenadores, uno de ellos ubicado en el Centro Nacional Suizo de Supercomputación, en Lugano, y probaron chips neuromórficos inspirados en el cerebro, que están compitiendo con los actualmente mejores ordenadores de alto rendimiento.

La coincidencia en el tiempo de ambos proyectos ha hecho que se hable de la ‘carrera del cerebro’. Sin embargo, el Human Brain Project y la Brain Initiative tienen aproximaciones muy diferentes.

Los científicos van a ser muy pragmáticos en el HBP. Saben que es imposible mapear experimentalmente el cerebro. Harán un modelo predictivo. Van a predecir su biología, el número de neuronas, el tipo de neuronas, las conexiones, dónde están localizadas las proteínas. Van a desarrollar una ciencia completamente nueva que se llamará neurociencia predictiva.

En vez de mapear las estructuras neurales pieza a pieza, intentarán desentrañar algunos de los principios subyacentes que gobiernan la morfología y la arquitectura del cerebro. Y utilizarán superordenadores para, con miles de simulaciones estadísticas, predecir la forma en que las neuronas tienden a combinarse.

Dos años y medio después de su lanzamiento el proyecto europeo de simulación del cerebro presentó en marzo 2016 sus primeras plataformas para la comunidad científica.

Las plataformas incluyen equipo de cómputo, software y bases de datos. Ellas son el corazón de la nueva infraestructura para la investigación del cerebro proporcionada por HPB.

Estas herramientas incluyen una plataforma de neuro-informática para la investigación y el análisis de los datos de la neurociencia, así como una plataforma de computación de alto rendimiento para procesar la enorme cantidad de información generada por el proyecto. La plataforma de simulación proporciona software para la reconstrucción de los circuitos neuronales.

Otras plataformas se refieren a la gestión de los datos reales de pacientes para el estudio de las enfermedades del cerebro, el desarrollo de los circuitos informáticos llamados neuro-mórficos que imitan la función de las neuronas y finalmente la experimentación de modelos virtuales del cerebro en su conexión con robots.


Proyecto Conectoma Humano (HCP)

El objetivo del Proyecto Conectoma Humano es construir un "mapeo de red" que aclare la conectividad anatómica y funcional dentro del cerebro humano sano, así como producir un conjunto de datos que facilite la investigación de los trastornos cerebrales tales como dislexia, autismo, enfermedad de Alzheimer y esquizofrenia.

Trazar el conectoma humano en niños y adultos sanos ayudará a los investigadores a descubrir el papel que los circuitos del cerebro desempeñan durante el desarrollo y el envejecimiento, así como informar a nuestra comprensión sobre los  numerosos trastornos cerebrales, deterioro cognitivo y enfermedades mentales.

Desde el año 2010 el proyecto se encuentra desarrollando una novedosa investigación neurocientífica que tiene como propósito lograr un mapeo integral del cerebro para obtener datos sobre la organización de sus conexiones estructurales y la conformación de dinámicas funcionales. Recientemente, estas investigaciones realizadas sobre cerebros de adultos sanos se han extendido hacia el estudio de cerebros patológicos, desarrollando hipótesis sobre algunos trastornos neuropsiquiátricos, tales como la esquizofrenia, que, de confirmarse, significarían un gran avance para el campo de la psiquiatría.

Los científicos han descubierto muchos vínculos entre aumentos, disminuciones e interrupciones de la conectividad cerebral con una amplia gama de enfermedades y trastornos mentales.

Se espera que los estudios futuros sobre el conectoma humano amplíen de manera significativa el conocimiento sobre el cerebro: sus redes funcionales y estructurales, su desarrollo, envejecimiento y sus alteraciones en diversas patologías, tales como la esquizofrenia, el autismo y el Alzheimer.


Nuevo mapa del cerebro

Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, han publicado en la revista Nature en julio 2016, un mapa preciso de 180 áreas de la corteza cerebral.


Mapa con 180 regiones
 del córtex cerebral
Han descubierto 97 nuevas áreas del córtex cerebral, la capa más externa del cerebro, involucrada en la percepción sensorial, el lenguaje, el uso de herramientas y el pensamiento abstracto.

Para llevar a cabo esta titánica tarea, los investigadores han recurrido a los datos generados por el Proyecto Conectoma Humano. Los autores utilizaron la información del cerebro de 210 adultos jóvenes de ambos sexos y dividieron el cerebro en 180 áreas tanto del hemisferio izquierdo como del derecho basándose en diferencias físicas  como el grosor del córtex , funcionales  áreas que responden a los estímulos del lenguaje  y diferencias en la conectividad de ciertas regiones.

El software del cerebro, cómo funciona, inicialmente está correlacionado con la estructura del cerebro (su hardware). Para averiguar qué puede hacer el cerebro, hay que comprender cómo está organizado y conectado.


Los investigadores usaron un escáner de MRI
 para observar la actividad cerebral mientras
los participantes escuchaban historias.
Rojo y amarillo indican regiones de activación.
Después de dibujar el mapa en un conjunto de cerebros, los investigadores desarrollaron un algoritmo para reconocer las regiones en un nuevo conjunto de cerebros donde el tamaño y los límites varían de persona a persona.

Para que otros investigadores también puedan profundizar en estos mapas, los expertos han desarrollado también un software que detecta automáticamente la huella digital de cada una de estas nuevas áreas en los escáneres cerebrales.

Hicieron un programa de aprendizaje automático para recrear un nuevo mapa para cualquier cerebro, lo cual ayudará a los científicos y médicos para el estudio de las diferencias individuales en la estructura del cerebro y la enfermedad, y de nuevas maneras de diagnosticar trastornos cerebrales.

El objetivo principal de este mapa es ayudar a unificar la neurociencia proporcionando un marco para que los estudios de imágenes cerebrales sean más fácilmente comparables y replicables, un punto particularmente destacado dado controversias recientes cuestionando la validez de miles de estudios de imágenes cerebrales.



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