Mapa Mental

PLOS, LIZA GROSSAMientras el polvo se asienta en torno al lanzamiento de la Iniciativa BRAIN del presidente Obama, los investigadores están evaluando el estado de la ciencia del mapeo cerebral. BRAIN tiene como objetivo mapear los circuitos del cerebro humano, vinculando la actividad eléctrica y química con el comportamiento y la cognición. Algunos creen que mapear el cerebro y sus actividades desmitificaría la mente humana y promovería el desarrollo de nuevos tratamientos. Otros sostienen que no es práctico mapear todo el cerebro, con sus conexiones aparentemente infinitas.

“Es seductor comparar este proyecto con el Proyecto Genoma Humano” dijo Emery Brown, neurocientífico y anestesiólogo del Instituto de Tecnología de Massachusetts, y asesor de la Iniciativa BRAIN. Sin embargo, agregó, «el mapeo del cerebro humano es mucho más complejo».

En términos comparativos, los neurocientíficos tal vez estén tan cerca de mapear todo el cerebro hoy en día como lo estuvieron Watson, Crick y Franklin de secuenciar todo el cerebro. genoma humano en la década de 1950. Hoy’s…

El cerebro se puede observar en varios niveles diferentes, desde moléculas hasta células, circuitos y sistemas, y hasta el órgano completo y sus vastas redes. Incluso dentro de estos niveles individuales, muchos científicos optan por centrarse en dilucidar la estructura o la función. Los investigadores observan el cerebro a través de varios lentes diferentes, cada uno de los cuales permite una visión única y matizada del órgano complejo.

Por supuesto, BRAIN no es la única iniciativa a gran escala que tiene como objetivo mejorar la comprensión de los científicos sobre el sistema nervioso central. sede. Por ejemplo, en junio, el Instituto Neurológico de Montreal y el Centro de Investigación Jlich de Alemania dieron a conocer la representación digital tridimensional del cerebro BigBrain atlasa, de libre acceso en línea, y fue el resultado de un esfuerzo de 10 años que empleó técnicas novedosas en anatomía macroscópica. y corte de tejidos, además de tecnología informática de última generación. Y aunque el atlas, parte del Proyecto Europeo del Cerebro Humano, sirve como una excelente referencia de estructura, no dice mucho sobre la función.

Luego está el Proyecto Conectoma Humano, dirigido por los investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles, el Hospital General de Massachusetts, la Universidad de Washington en St. Louis y la Universidad de Minnesota. Los miembros de esta empresa utilizan técnicas de imagen para crear mapas estructurales y funcionales del cerebro. Por otro lado, un equipo dirigido por investigadores del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro en Seattle está compilando mapas de expresión génica para ayudar a determinar la estructura y función del cerebro.

Por el momento, se está resolviendo completamente la estructura y cada función del cerebro es un sueño lejano. La razón por la que no entendemos el cerebro como un gran mapa de actividad es porque no tenemos las herramientas para hacerlo, dijo John Donoghue, neuroingeniero de la Universidad de Brown y asesor de la Iniciativa BRAIN.

A varias técnicas establecidas ofrecen una perspectiva de arriba hacia abajo del cerebro. Entre varias variaciones de imágenes por resonancia magnética (MRI), la más popular es la MRI funcional (fMRI). Este enfoque no invasivo proporciona un método simple para delimitar la función cerebral. Se basa en el principio de que el flujo sanguíneo y el posterior consumo de oxígeno en un área específica del cerebro aumentarán cuando una persona utilice esa área para completar una tarea o comportarse de cierta manera.

Tomografía por emisión de positrones (PET). ) escanear rastrea elementos marcados radiactivamente inyectados en el torrente sanguíneo de un sujeto mientras realiza un comportamiento, como leer. Estos elementos, moléculas que pueden unirse a un determinado receptor en el cerebro, se detectan mediante exploraciones PET, lo que aclara los neuroquímicos implicados en comportamientos particulares.

Las técnicas de registro cerebral como la electroencefalografía (EEG) y la magnetoencefalografía (MEG) también proporcionan funciones funcionales a gran escala. Perspectivas del cerebro. EEG puede registrar la actividad eléctrica en el cerebro, mientras que MEG registra los campos magnéticos generados por estas actividades eléctricas. Estos métodos pueden discernir la actividad eléctrica característica y localizada que subyace a los comportamientos y enfermedades. Un estudio publicado en Biological Psychiatry el mes pasado, dirigido por investigadores de la Universidad de Ámsterdam, demostró que el registro de EEG puede diferenciar los subtipos de trastorno por déficit de atención/hiperactividad, lo que brinda a los médicos otra capa de objetividad diagnóstica.

Profundizando

Al centrarse en las características moleculares y celulares de las neuronas, los científicos pueden estudiar el cerebro utilizando un enfoque de abajo hacia arriba. Para ello, a menudo se utilizan modelos animales. Los científicos pueden modificar genéticamente varios animales para que carezcan de ciertas poblaciones de neuronas, receptores o neurotransmisores, y luego estudiar los efectos resultantes en el comportamiento.

Los enfoques basados en la fluorescencia ya han revolucionado el estudio del cerebro. El enfoque Brainbowan que puede iluminar de manera diferencial neuronas individuales en el cerebro y otras técnicas fluorescentes permiten a los científicos examinar neuronas individuales.

Y luego están los métodos probados y verdaderos, como el rastreo retrógrado y anterógrado en sistemas modelo que revelan cómo las neuronas se conectan.  Primero, los investigadores inyectan un tinte, una construcción genética, una proteína o un virus en un grupo de neuronas. Esa etiqueta biológica viajará por una neurona hasta las células con las que hace sinapsis en un seguimiento anterógrado, o subirá por una neurona hasta las neuronas que hacen sinapsis con ella en un seguimiento retrógrado, revelando sus conexiones. Utilizando el transporte transneuronal retrógrado del virus de la rabia desde el riñón, Peter Strick, neurobiólogo de la Universidad de Pittsburgh, demostró que las áreas motoras de la corteza de las ratas comparten conexiones con los órganos excretores en mayo pasado. Su trabajo fue publicado en The Journal of Neuroscience.

Las imágenes cerebrales permiten a los científicos discernir la función de grandes porciones del cerebro. Los métodos moleculares y celulares les permiten determinar la función de neuronas individuales o grupos de neuronas. Pero enfocarse en la escala media donde estos circuitos y redes se fusionan todavía elude a los científicos.

Forjar conexiones

Puedes imaginarte ir en dos direcciones, dijo Eve Marder, una neurocientífico de la Universidad de Brandeis y asesor de la Iniciativa BRAIN. Uno es aumentar la resolución de imágenes a gran escala, dijo. Subiendo la escala, las técnicas moleculares y celulares actuales también podrían mejorarse para permitir a los científicos ver más células al mismo tiempo con más modalidades, añadió.

Tenemos microherramientas y macroherramientas, pero no tenemos la escala media, dijo Browns Donoghue. Pero las herramientas y técnicas emergentes están allanando el camino.

Utilizando la optogenética, por ejemplo, los científicos pueden controlar poblaciones específicas de neuronas y observar los efectos conductuales en modelos animales vivos. Los animales pueden modificarse genéticamente para que clases específicas de neuronas o receptores expresen una opsina, un complejo proteico sensible a la luz. La luz de la longitud de onda de esa opsina puede brillar en una parte expuesta del cerebro para activar específicamente esas neuronas o receptores.

Y luego hay técnicas de imagen nuevas y mejoradas, que permiten a los científicos estudiar tanto la forma como la función. Recientemente, un equipo de investigadores del campus de investigación Janelia Farm del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI) en Ashburn, Virginia, demostró la imagen activa de todo el cerebro del pez cebra con la resolución de neuronas individuales utilizando microscopía fluorescente de lámina de luz. Esta técnica les permitió ver la actividad del 80 por ciento de las 100.000 neuronas que componen el cerebro del pez cebra en acción real cada 1,3 segundos.

La clave del estudio, dirigido por los HHMI Misha Ahrens y Philipp Keller, fue la pez cebra genéticamente modificado cuyas proteínas de calcio sensibles al voltaje normal fueron marcadas con fluorescencia. Al hacer brillar hojas de luz con un microscopio en sus cerebros, los investigadores pudieron visualizar la actividad en tiempo real de poblaciones enteras de neuronas.

Debido a que esta técnica se basa en la penetración de la luz en el tejido, Keller señala que todavía no se puede adaptar fácilmente a cerebros más grandes, como los de ratones o humanos. No obstante, el registro de la actividad de todo el cerebro, incluso en un sistema modelo, podría proporcionar esa escala media.

Otro enfoque que podría ayudar a cerrar la brecha es CLARITYclear, con intercambio de lípidos, anatómicamente rígido, compatible con imágenes/inmunotinción. , técnica de hidrogela tisular desarrollada por Karl Deisseroth en la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford. En este método, toda la grasa se elimina de una muestra de cerebro y se reemplaza con un hidrogel, lo que hace que la muestra sea transparente y esté lista para ser investigada con un microscopio.

Aún así, los científicos están de acuerdo en que ningún método único puede desbloquear todos los secretos del cerebro.

Creo que gran parte del esfuerzo se va a desarrollar y especialmente combinar tecnologías para obtener la mayor cantidad de información posible sobre todo tipo de funciones y comportamientos, dijo Ahrens. La combinación de múltiples técnicas generalmente conduce a más que la suma.

Llegar a comprender completamente el cerebro humano requerirá una ciencia interdisciplinaria de enorme alcance, dijo la neurobióloga Cornelia Bargmann de la Universidad Rockefeller, copresidenta del grupo de planificación de NIH sobre BRAIN, dijo a los periodistas durante una rueda de prensa de septiembre. Hacerlo, dijo, no es estrictamente una cuestión de neurociencia, sino también de genética molecular, física, ingeniería, informática, nanociencia y matemáticas.

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