Mapear cómo los 100 mil millones de células en el cerebro encajan entre sí es el nuevo y valiente mundo de la neurociencia
Crédito: Pixabay/CC0 Dominio público
El cerebro juega un papel esencial en la forma en que las personas navegan por el mundo al generar pensamiento y comportamiento . A pesar de ser uno de los órganos más vitales de la vida, ocupa solo el 2% del volumen del cuerpo humano. ¿Cómo algo tan pequeño puede realizar tareas tan complejas?
Afortunadamente, las herramientas modernas como el mapeo cerebral han permitido a los neurocientíficos como yo responder exactamente a esta pregunta. Al mapear cómo se organizan todos los tipos de células en el cerebro y examinar cómo se comunican entre sí, los neurocientíficos pueden comprender mejor cómo funciona normalmente el cerebro y qué sucede cuando ciertas partes de las células se pierden o funcionan mal.
Para deconstruir una máquina pensante hecha de miles de millones de neuronas, necesitamos una lista de piezas de un inventario de los tipos de células del cerebro. @ScienceMagazine informa sobre un esfuerzo masivo que nos acercó un paso más a un censo completo de tipos de células cerebrales. #studyBRAINhttps://t.co/CtgIJxSHqo
Instituto Allen (@AllenInstitute) 8 de octubre de 2021
La historia del mapeo cerebral
La tarea de comprender el funcionamiento interno del cerebro ha fascinado tanto a filósofos como a científicos durante siglos. Aristóteles propuso que el cerebro es donde reside el espíritu. Leonardo da Vinci dibujó representaciones anatómicas del cerebro con incrustaciones de cera. Y Santiago Ramón y Cajal, con su trabajo ganador del Premio Nobel de 1906 sobre la estructura celular del sistema nervioso, hizo uno de los primeros avances que condujeron a la neurociencia moderna tal como la conocemos.
Usando una nueva forma de visualizar células individuales llamada tinción de Golgi, un método iniciado por el co-ganador del Nobel Camillo Golgi, y el examen microscópico del tejido cerebral, Cajal estableció la doctrina de la neurona seminal. Este principio establece que las neuronas, entre los principales tipos de células cerebrales, se comunican entre sí a través de espacios entre ellas llamados sinapsis. Estos hallazgos iniciaron una carrera para comprender la composición celular del cerebro y cómo las células cerebrales están conectadas entre sí.
Desde entonces, la neurociencia ha experimentado una rápida explosión de nuevas herramientas experimentales. Saltando 100 años hasta hoy, las herramientas modernas llamadas neurotécnicas, que incluyen el mapeo del cerebro, les han brindado a los neurocientíficos una forma de inspeccionar de cerca cada componente del cerebro. Mi laboratorio ha estado utilizando estas herramientas de mapeo cerebral para comprender qué tipos de células componen el cerebro y cómo contribuyen a la creación de la cognición.
La ciencia del mapeo cerebral
Entonces, ¿cómo trabajo de mapeo cerebral?
Los científicos primero deben etiquetar o visualizar un tipo de célula específico. El proceso es como encontrar una aguja en un pajar, sería mucho más fácil de encontrar si la aguja, o el tipo de célula, brillara. Esto se puede hacer con métodos genéticos o de inmunotinción. El método genético aprovecha los animales, como los ratones, que pueden modificarse genéticamente para que solo el tipo de célula objetivo sea visible bajo luces fluorescentes específicas. Los métodos de inmunotinción, por otro lado, vuelven transparentes las muestras de cerebro con un tratamiento químico especial y usan anticuerpos para marcar el tipo de célula diana con una etiqueta fluorescente.
La técnica CLARITY vuelve transparentes los cerebros completos para que puedan ser examinados a nivel molecular. nivel.
El siguiente paso es obtener imágenes de todo el cerebro utilizando técnicas de microscopía que permiten a los científicos ver partes demasiado pequeñas para verlas a simple vista. Las herramientas de microscopía especializadas pueden tomar instantáneas, o mosaicos, de todo el cerebro. Unir estos mosaicos de imágenes puede reconstruir un volumen 3D intacto como un mosaico fotográfico. Es como construir un mapa de Google del cerebro: al combinar millones de fotos de calles individuales, puede acercar para ver cada esquina de la calle y alejar para ver una ciudad entera.
Como era de esperar, este tipo de imágenes en 3D crea conjuntos de datos muy grandes. Aunque el cerebro de un ratón es más pequeño que la punta de un dedo humano, el tamaño de estos conjuntos de datos puede alcanzar fácilmente entre unos pocos cientos de gigabytes y un terabyte. Afortunadamente, los notables avances en equipos informáticos y software han hecho posible el análisis de datos a gran escala. Los algoritmos de inteligencia artificial en particular han permitido a los científicos detectar muchas características celulares diferentes en el cerebro, como la forma y el tamaño de las células, así como los procesos que experimentan.
Una vez que los científicos puedan detectar el tipo de célula objetivo en un conjunto de datos de imágenes, el paso final es localizar características celulares específicas en un cerebro de referencia. Este cerebro de referencia sirve como un mapa estandarizado que muestra dónde se encuentra cada región del cerebro. Luego, los científicos pueden usar este mapa para compararlo con cerebros individuales y notar sus variaciones.
Estos pasos se repiten para cada tipo de célula, creando un mapa más rico y completo del cerebro con cada análisis.
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Trabajando juntos para construir un mapa cerebral
Los científicos ahora tienen las herramientas para examinar todo el cerebro con gran detalle. Ha habido un esfuerzo considerable para coordinar y agrupar datos de los laboratorios de investigación de mapas cerebrales para crear mapas cerebrales completos. Por ejemplo, la Iniciativa BRAIN de EE. UU. creó la Red de Censos Celulares de la Iniciativa BRAIN (BICCN) en la que participa mi laboratorio. Los grupos de investigación colaboradores de la red publicaron recientemente el mapa más completo de los tipos de células en la corteza motora del cerebro en humanos, monos y ratones.
Pero, ¿es esto suficiente para entender cómo funciona el cerebro?
Los avances técnicos en tinción celular y microscopía ayudaron a Santiago Ramón y Cajal a hacer su descubrimiento fundamental sobre las neuronas. Sin embargo, fue su capacidad para idear una teoría para explicar sus observaciones lo que avanzó en la comprensión del cerebro por parte de los neurocientíficos.
Si bien los investigadores han estado ocupados recopilando información increíblemente detallada sobre el cerebro, usaron estos datos para crear las nuevas teorías sobre cómo funciona el cerebro van a la zaga. Un mapa de células no necesariamente les dice a los investigadores cómo funcionan las células e interactúan entre sí como un todo. Por ejemplo, ¿cómo funcionan juntas estas redes increíblemente complejas de tipos de células cerebrales para generar cognición? ¿Existe una unidad básica en el cerebro que dirige cómo se forma y funciona? Responder preguntas como estas ayudará a los investigadores a comprender cómo los cambios cerebrales específicos están vinculados a diferentes trastornos cerebrales como la demencia y a idear nuevas estrategias para tratarlos.
Es un momento muy emocionante para la investigación en neurociencia. El mapeo cerebral increíblemente rico y de alta resolución presenta una gran oportunidad para que los neurocientíficos reflexionen profundamente sobre lo que dicen estos nuevos datos sobre cómo funciona el cerebro. Aunque todavía hay muchas incógnitas sobre el cerebro, estas nuevas herramientas y técnicas podrían ayudar a sacarlas a la luz.
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Análisis celular comparativo de la corteza motora entre especies Proporcionado por The Conversation
Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
Cita: Mapear cómo los 100 mil millones de células en el cerebro encajan entre sí es el valiente nuevo mundo de la neurociencia (2021, 18 de noviembre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com /news/2021-11-billion-cells-brain-brave-world.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.