Los científicos de Google han modelado un fragmento del cerebro humano con una resolución a nanoescala, revelando células con características no descubiertas previamente.
Representación basada en datos de microscopio electrónico que muestra las posiciones de las neuronas en un fragmento de la corteza cerebral. Las neuronas se colorean según su tamaño. Crédito: Google Research y Lichtman Lab (Universidad de Harvard). Representaciones de D. Berger (Universidad de Harvard)
Los investigadores han mapeado una pequeña parte del cerebro humano con un detalle asombroso. El atlas celular resultante, que se describió en Science 1 y está disponible en línea , revela nuevos patrones de conexiones entre células cerebrales llamadas neuronas, así como células que se enrollan sobre sí mismas para formar nudos y pares de neuronas que son casi imágenes especulares de entre sí.
El mapa 3D cubre un volumen de aproximadamente un milímetro cúbico, una millonésima parte de todo un cerebro, y contiene aproximadamente 57.000 células y 150 millones de sinapsis (las conexiones entre neuronas). Incorpora la colosal cantidad de 1,4 petabytes de datos. "Es un poco humillante", dice Viren Jain, neurocientífico de Google en Mountain View, California, y coautor del artículo. "¿Cómo vamos a aceptar realmente toda esta complejidad?"
Astillas de cerebro
El fragmento de cerebro fue extraído de una mujer de 45 años cuando fue operada para tratar su epilepsia. Proviene de la corteza, una parte del cerebro involucrada en el aprendizaje, la resolución de problemas y el procesamiento de señales sensoriales. La muestra se sumergió en conservantes y se tiñó con metales pesados para que las células fueran más fáciles de ver. Luego, el neurocientífico Jeff Lichtman de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, y sus colegas cortaron la muestra en alrededor de 5.000 rodajas, cada una de sólo 34 nanómetros de espesor, de las que se podían obtener imágenes utilizando microscopios electrónicos.
Luego, el equipo de Jain construyó modelos de inteligencia artificial que pudieron unir las imágenes del microscopio para reconstruir la muestra completa en 3D. "Recuerdo este momento, entré en el mapa y observé una sinapsis individual del cerebro de esta mujer, y luego me acerqué a esos otros millones de píxeles", dice Jain. "Se sintió algo espiritual".
Se muestra una sola neurona (blanca) con 5600 axones (azul) que se conectan a ella. Las sinapsis que realizan estas conexiones se muestran en verde. Crédito: Google Research y Lichtman Lab (Universidad de Harvard). Representaciones de D. Berger (Universidad de Harvard)
Al examinar el modelo en detalle, los investigadores descubrieron neuronas poco convencionales, incluidas algunas que formaban hasta 50 conexiones entre sí. "En general, se encontrarían como máximo un par de conexiones entre dos neuronas", dice Jain. En otros lugares, el modelo mostró neuronas con zarcillos que formaban nudos a su alrededor. "Nadie había visto algo así antes", añade Jain.
El equipo también encontró pares de neuronas que eran imágenes especulares casi perfectas entre sí. "Encontramos dos grupos que enviaban sus dendritas en dos direcciones diferentes y, a veces, había una especie de simetría especular", dice Jain. No está claro qué papel tienen estas características en el cerebro.
Se necesitan correctores
El mapa es tan grande que la mayor parte aún no se ha revisado manualmente y aún podría contener errores creados por el proceso de unir tantas imágenes. "Cientos de células han sido 'revisadas', pero eso es obviamente un pequeño porcentaje de las 50.000 células que hay allí", dice Jain. Espera que otros ayuden a corregir partes del mapa que les interesan. El equipo planea producir mapas similares de muestras de cerebro de otras personas, pero es poco probable que en las próximas décadas se obtenga un mapa de todo el cerebro, afirma.
"Este artículo es realmente el tour de force en la creación de un conjunto de datos de la corteza humana", dice Hongkui Zeng, director del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro en Seattle. La gran cantidad de datos a los que se ha puesto a disposición de forma gratuita “permitirá a la comunidad profundizar en los microcircuitos de la corteza humana”, añade.
Obtener una comprensión más profunda de cómo funciona la corteza podría ofrecer pistas sobre cómo tratar algunas enfermedades psiquiátricas y neurodegenerativas. "Este mapa proporciona detalles sin precedentes que pueden revelar nuevas reglas de conexiones neuronales y ayudar a descifrar el funcionamiento interno del cerebro humano", dice Yongsoo Kim, neurocientífico de la Universidad Estatal de Pensilvania en Hershey.
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-01387-9
Referencias
Shapson-Coe, A. et al. Ciencia 384 , eadk4858 (2024).
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