febrero 11, 2016

Reproducen Digitalmente por Primera Vez un Fragmento de la Neocorteza Cerebral



La neocorteza es la región del cerebro en la que se desarrollan
 el lenguaje, la imaginación o la capacidad de abstracción


Un equipo internacional de investigadores, miembros de los proyectos europeos Blue Brain  y Human Brain Project, cuyo trabajo ha sido publicado en la revista científica Cell en octubre 2015, ha completado la primera reconstrucción informática detallada de un fragmento de esta región de la corteza 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.

El trabajo 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.

El equipo de investigadores simuló el comportamiento eléctrico de tejido cerebral virtual en superordenadores y constató que coincidía con el comportamiento ya observado en una serie de experimentos realizados en cerebros.

La investigación desarrollada demuestra que la reproducción digital del cerebro humano y la simulación detallada de su funcionamiento es posible  aunque sea a largo plazo.

Los investigadores participantes en este estudio llevaron a cabo decenas de miles de experimentos con las neuronas y las sinapsis (conexión entre neuronas) en el neocórtex de ratas jóvenes y catalogaron cada tipo de neurona y cada tipo de sinapsis que encontraron. Así, identificaron una serie de patrones fundamentales que describen cómo se organizan las neuronas en el microcircuito y cómo están conectadas vía sinapsis y desarrollaron un algoritmo capaz de predecir las localizaciones de los casi 40 millones de sinapsis en los microcircuitos.

Modelo 3D
de neurona reconstruido
Este algoritmo comienza colocando modelos 3D realistas de neuronas en un volumen virtual, respetando la distribución medida de diferentes tipos de neuronas a diferentes profundidades, 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 deja 37 millones de contactos, que son las localizaciones donde construyen las sinapsis del modelo.

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.

Los investigadores hallaron una estrecha relación entre las estadísticas de conectividad de la reconstrucción digital y las mediciones experimentales en tejido biológico  que no había sido utilizado en la reconstrucción.

La infraestructura de supercomputación y el amplio ecosistema de software desarrollado en el marco de este proyecto es imprescindible para avances como el presente en el campo de la neurociencia ya que únicamente con este tipo de infraestructura es posible resolver los miles de millones de ecuaciones necesarias para simular cada intervalo de 25 microsegundos de los que se compone la simulación.

Nuevas teorías a partir de la simulación. Las simulaciones realizadas han permitido además desarrollar nuevas teorías que no habían sido posibles en base a la experimentación biológica, como la constatación de que existen múltiples mecanismos celulares y sinápticos que pueden conmutar el circuito de un estado de actividad a otro (sincrónico y asincrónico), lo que podría dar lugar a nuevas formas de estudiar el procesamiento de información y los mecanismos de la memoria en los estados cerebrales normales, como la vigilia, la somnolencia y el sueño, y algunos de los mecanismos en los estados anormales, tales como la epilepsia, y potencialmente, otros trastornos cerebrales.


Interrogantes sobre el funcionamiento del cerebro

Las neuronas producen pequeñas descargas eléctricas en sus membranas, que viajan a través de los axones para liberar señales químicas. Es allí donde están todas las cosas que sentimos.

Sin embargo, hay determinados grupos de neuronas implicados en fenómenos más complejos que hacen más difícil de entender la actividad neuronal. Aún no se sabe bien qué parte del cerebro está implicada en cada uno de estos procesos, aunque se piensa que las neuronas actúan en grupo y no individualmente. Los impulsos nerviosos podrían no ser la única forma en que se transmite la información.

Cuando uno aprende algo nuevo, hay cambios en la estructura del cerebro, sin embargo, no se sabe cómo funciona exactamente este cambio y qué consecuencias tiene.

Otro problema es que existen varios tipos de memorias: a corto y largo plazo, y dentro de la segunda, la memoria declarativa  nombres y hechos , y las no declarativas  como andar en bicicleta . A pesar de las diferencias, parece que hay un mecanismo molecular común.

Cuando las neuronas se activan juntas, la conexión entre ellas es más fuerte y se crean asociaciones. Sin embargo, cuando el cerebro crea esas asociaciones, se codifican las relaciones entre las cosas y no los detalles.

Más misterioso aún es el hecho de cómo recordamos las cosas mediante un proceso rápido, algunas memorias las modificamos o borramos. Recientes estudios ven que algunos químicos pueden bloquear y modificar la memoria.

Poco se ha estudiado a todas aquellas actividades que hace el cerebro sin necesidad de estímulos externos: en estudios de neuroimagen se vio que, independientemente de la tarea asignada, el cerebro disminuye la actividad de determinadas áreas, que realizan actividad de referencia cuando no son utilizadas, de forma similar a cómo funciona el cerebro.

La simulación del futuro es una de las cosas más inteligentes que hace nuestro cerebro. Se cree que esto funciona mediante la creación de un modelo interno del mundo exterior y cómo las cosas se comportan en él, gracias a la memoria y las experiencias pasadas. Esta percepción no sólo sirve para simular el futuro, sino también para cosas tan básicas como la visión o la percepción.

Las emociones llevan consigo una serie de signos físicos como el incremento de los latidos del corazón o la tensión muscular. Los sentimientos son experiencias subjetivas que acompañan a este proceso tangible.

Las emociones suelen funcionar a través de la parte inconsciente del cerebro, y son comunes a las diferentes culturas e incluso a los diferentes animales. Otros puntos de vista dicen que las emociones son estados cerebrales que asignan valores a los resultados y hacen un plan de acción rápido.

No se sabe a ciencia cierta qué significa la inteligencia de forma biológica, si las personas más inteligentes utilizan el cerebro de forma diferente y cómo lo hacen. Recientes estudios muestran una relación entre la inteligencia y la memoria a corto plazo, aunque los resultados no son concluyentes. Lo cierto es que la inteligencia no se puede relacionar con una sola área del cerebro o un único mecanismo.

El cerebro tiene problemas para sincronizar señales diferentes que ocurren al mismo tiempo pero que se procesan a diferentes velocidades. Los sentidos procesan las cosas de forma diferente, por ejemplo, pero el cerebro intenta que se las vea como simultáneas.

Sin duda alguna, el paso del tiempo, la simultaneidad y similares son construcciones de nuestro cerebro. La falta de sincronía puede acarrear problemas como la dislexia o las caídas en personas mayores.

Casi todos los animales suelen dormir, y la falta de sueño lleva a consecuencias negativas para la salud. Sin embargo, no se sabe a ciencia cierta cuál es la función de dormir: se cree que puede ser regenerativo, pero lo cierto es que existe una gran cantidad de actividad neuronal que puede significar algo más. Otras teorías dicen que el sueño es un momento para que el cerebro resuelva problemas antes de hacerlo en el mundo real; o que el sueño es el momento en que se fijan los conocimientos.

No se entiende cómo se coordinan las diferentes áreas del cerebro para trabajar juntas y funcionar rápidamente, especialmente teniendo en cuenta que las señales eléctricas del cerebro suceden lentamente. El cerebro es un procesador paralelo, que lleva a cabo varias operaciones al mismo tiempo de forma extremadamente rápida.



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