Publican el mapa del «cableado» del cerebro de los mamíferos

Investigadores del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, en Seattle, Estados Unidos, han publicado el primer conjunto de datos integral a gran escala sobre cómo está cableado el cerebro de un mamífero, proporcionando una fuente de datos innovadora y nuevas luces sobre la forma en que el sistema nervioso procesa la información. Su histórico informe, publicado esta semana en 'Nature', describe el Atlas de Conectividad del Cerebro del Ratón de Allen y demuestra el emocionante conocimiento que se puede extraer de este valioso recurso. "Comprender cómo está conectado el cerebro es uno de los pasos más importantes para entender cómo codifica el cerebro la información", explica uno de sus autores, Hongkui Zeng, director senior de investigación científica en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro. "El Atlas de Conectividad del Cerebro de Ratón de Allen es un recurso normalizado, cuantitativo y completo que estimula investigaciones interesantes para la comunidad de las neurociencias y del que ya hemos recogido datos sin precedentes sobre cómo las estructuras se conectan en el interior del cerebro", añade.

Utilizando los datos, los científicos del Instituto Allen fueron capaces de demostrar que hay patrones muy específicos en las conexiones entre las diferentes regiones del cerebro y que los puntos fuertes de estas relaciones varían en más de cinco órdenes de magnitud, equilibrando un pequeño número de conexiones fuertes con una gran cifra de vínculos débiles. Esta publicación se produce justo cuando el equipo finaliz más de cuatro años de trabajo para recopilar y poner a disposición del público los datos detrás del proyecto Atlas de la Conectividad del Cerebro de Ratón de Allen, completando el Atlas que se anunció en marzo.

El cerebro humano es una de las estructuras más complejas en todo el universo, con alrededor de 100.000 millones de neuronas, tantas estrellas como hay en la Vía Láctea. El cerebro de ratón tiene 75 millones de neuronas, dispuestas en una estructura más o menos similar al cerebro humano, que proporcionan un poderoso sistema modelo por el que entender cómo las células nerviosas del cerebro humano se conectan, procesan y codifican la información.

A pesar de la necesidad fundamental de entender cómo se conectan las áreas del cerebro, la única especie para la que existe un diagrama completo del cableado es el gusano microscópico sencillo 'C. Elegans', un sistema mucho más simple, con sólo 302 neuronas, en comparación con el humano o cualquier otro sistema nervioso de los mamíferos.

Los expertos del Instituto Allen se propusieron crear un diagrama de cableado del cerebro, también conocida como "connectoma", para ilustrar las conexiones de corto y largo alcance utilizando virus de ingeniería genética que puedan rastrear e iluminar las neuronas individuales. Con el fin de obtener una visión verdaderamente integral, los científicos recogieron datos de imágenes a resoluciones más pequeñas que un micrómetro de más de 1.700 cerebros de ratones, cada uno de los cuales se divide en 140 secciones seriadas.

"Se recogieron los datos para el Atlas de la Conectividad del Cerebro de Ratón de Allen de una manera que nunca se ha hecho antes", destaca Zeng. "La estandarización del proceso de generación de los datos nos ha permitido crear un espacio común de referencia en 3D, lo que significa que podríamos poner los datos de todos nuestros miles de experimentos unos junto a otros y comparar todos ellos de una manera altamente cuantitativa a la vez", explica.

El atlas de Allen contiene más de 1,8 petabytes de datos, el equivalente de 23,9 años continuos de vídeo en HD, todo ello disponible gratuitamente en internet. El equipo de investigación ha estado lanzando constantemente nuevos datos desde noviembre de 2011, y en marzo, presentaron la última actualización importante del atlas, aunque se actualizará cuando se desarrolle la tecnología y los investigadores sean capaces de añadir nuevos tipos de los datos de conectividad. Al igual que todos los recursos del Atlas del Cerebro de Allen, los datos y las herramientas para navegar y analizarlos están accesibles al público en http://www.brain-map.org.

"El Atlas de la Conectividad del Cerebro del Ratón de Allen proporciona una hoja de ruta inicial del cerebro, al nivel de las carreteras interestatales y las principales ciudades que unen", explica David Anderson, profesor de Biología e investigador en el Instituto Médico Howard Hughes del Instituto de Tecnología de California, en Estados Unidos.

"Las redes de carreteras más pequeñas y sus intersecciones con las carreteras interestatales serán el siguiente paso, seguido de mapas de calles locales en diferentes municipios. Esta información proporcionará un marco para lo que en última instancia queremos entender: 'patrones de tráfico' del flujo de información en el cerebro durante varias actividades, como tomar decisiones, cartografiar el entorno físico, aprender y recordar y otros procesos cognitivos o emocionales", añade.

Con esta publicación, los investigadores del Instituto Allen ya han comenzado a demostrar el poder de análisis que figura en el Atlas, puesto que ya Zeng y su equipo han conseguido descubrir varias propiedades interesantes del connectoma del cerebro del ratón. Por ejemplo, hay extensas conexiones a través de los dos hemisferios con la simetría de la imagen en un espejo. Así, se pueden identificar caminos de diferentes circuitos funcionales en el cerebro y visualizar en 3D sus relaciones e intersecciones visualizados, además de que hay un gran grado de variación en los puntos fuertes de todas las conexiones que van más allá de cinco órdenes de magnitud y un equilibrio interesante entre un pequeño número de conexiones fuertes

y un gran número de conexiones débiles.

"El objetivo del atlas es crear una nueva forma de asignar vastas conexiones del cerebro de manera sistemática y rápida y desarrollar una plataforma para presentar los datos a los usuarios y ayudarles a navegar de la manera más sencilla posible --subraya Zeng--. Pero el tipo de análisis que hemos hecho hasta ahora es sólo el comienzo de un profundo análisis de los patrones de cableado de los diferentes circuitos del cerebro que son posibles gracias esta colección única de datos".

El mantenimiento del Atlas de la Conectividad del Cerebro del Ratón de Allen es un esfuerzo continuo, de forma que después de la realización del atlas, los científicos continuarán actualizándolo con los perfiles de más tipos de células nerviosas individuales a medida que estén disponibles. Los investigadores también están a punto de sumergirse más profundamente en los datos que ya se han recogido y se centrarán más intensamente en el estudio de las conexiones entre los diferentes tipos de neuronas en la misma región o regiones vecinas, es decir, las calles de la ciudad y las calles locales que, junto con las carreteras interestatales, forman las redes neuronales jerárquicas.

"Anteriormente, la comunidad científica tuvo que basarse en conjuntos incompletos y fragmentados de datos, como pequeñas piezas de un mapa, pero a diferentes escalas y resoluciones, por lo que era imposible ver el panorama más amplio", recuerda Ed Callaway, profesor de Sistemas de Neurobiología en los Laboratorios del Instituto Salk para Estudios Biológicos, en La Jolla, California, Estados Unidos. "Ahora, tenemos acceso instantáneo a datos completos a través de todo el cerebro", destaca.