Cómo se conectan las neuronas
Problema del Camino mínimo – Algoritmo de Dijkstra
Conectoma. Sebastian Seung
El neurocientífico Sebastian Seung está buscando la manera de mapear las conexiones del cerebro que revelen cómo se arraigan nuestros recuerdos y nuestra personalidad.
El cerebro humano tiene 100 mil millones de neuronas, cada una de las ellas está conectada a muchos otras. Los neurocientíficos creen que estas conexiones son la clave de nuestra memoria, la personalidad e incluso los trastornos mentales como la esquizofrenia. Si desvelamos esto seremos capaces de aprender más acerca de cómo llegamos a ser nosotros mismos, e incluso cómo poder alterar esos mismos.
La cartografía de todas esas conexiones puede sonar como una tarea de enormes proporciones, pero el neurocientífico del MIT, Sebastian Seung, cree que se puede hacer, a un milímetro cúbico de tejido cerebral cada vez.
«Cuando se empieza a explicar lo difícil que sería encontrar el conectoma (mapa de conexiones neurales) de un cerebro completo, la gente pregunta, “y eso ¿para qué sirve? Parece que ya es pasarse”. Pero incluso el hallar o mapear las conexiones en una pequeña porción de cerebro te puede decir mucho», señala Seung, profesor de neurociencia computacional y de física en el MIT.
Nuestro conectoma, incluso más que nuestro genoma, da forma a lo que somos, dice Seung, que describe su visión de la investigación del conectoma en un nuevo libro, “Connectome”, publicado este mes por Houghton Mifflin Harcourt. «Es evidente que los genes son muy importantes, y ya que estos no cambian después del momento de la concepción, tampoco dan cuenta realmente a los efectos de la experiencia», dice.
El lecho de la conciencia
Seung imagina las conexiones cerebrales como un «cauce» por el cual fluye nuestra conciencia. A nivel molecular, este cauce consiste en miles de millones de sinapsis, donde cada neurona envía señales a la siguiente a través de los neurotransmisores químicos. Antes se pensaba que una vez formadas las sinapsis no se podían cambiar, ahora se sabe que las sinapsis continuan fortaleciéndose, debilitándose, desapareciendo y transformándose, a medida que aprendemos cosas nuevas y adquirimos nuevas experiencias.
En tanto que los neurólogos, desde hace mucho tiempo, funcionan con la hipótesis de que la clave de nuestra propia excepcionalidad radica en esas conexiones, pero esto ha sido imposible de probar debido a la ausencia de una tecnología para mapear las conexiones. Eso ahora está cambiando, gracias a los esfuerzos de Seung y unos cuantos neurocientíficos más por todo el mundo.
En el Instituto Max Planck de Investigación Médica en Heidelberg, Alemania, los neurocientíficos del laboratorio de Winfried Denk, han cogido unas rodajas muy delgadas de tejido cerebral y han generado imágenes por microscopio electrónico de todas las conexiones neuronales dentro de cada sector. Unas imágenes de alta resolución parecidas, se están adquiriendo en el laboratorio de Jeff Lichtman, en la Universidad de Harvard. Sin embargo, el siguiente paso, el mapeo de dichas conexiones, es extremadamente lento. Seung estima que harían falta 100.000 años para que un único trabajador rastreara las conexiones de tan sólo un milímetro cúbico de tejido cerebral.
Para ver si pueden acelerarlo, Seung y sus colegas, han desarrollado un sistema de inteligencia artificial (IA), que presentaron en la Conferencia Internacional sobre ‘Computer Vision and the Neural Information Processing Systems’ en 2009. Sin embargo, el sistema aún requiere de orientación humana, por lo que los investigadores están solicitando ayuda del público en general, a través de un sitio web, llamado eyewire.org. «El cerebro es como una selva inmensa de las neuronas», comentaba Seung. «Como árboles que tienen todas sus ramas enredadas, y la gente nos puede ayudar a explorar todo eso.»
Los participantes del proyecto Eyewire ayudarán a guiar el programa de ordenador cuando pierde el rastro de una extensión neuronal que está en medio de una maraña de neuronas.
«El ordenador se detiene cuando no tiene certeza, pero el usuario puede hacer clic con el ratón y decir el color que hay ahí, el ordenador entonces comenzará a colorearlo de nuevo, y así en adelante. De esta manera estará guiando al ordenador», explica Seung. Además, el sistema se va conviertiendo en «inteligente» conforme la gente lo va guiando, por lo que se necesita cada vez menos ayuda a medida que avanza.
En vez de abordar el cerebro humano directamente, los investigadores están empezando con porciones de 300 por 350 por 80 micras de corte del tejido de la retina del ratón. Las imágenes de tan sólo este pequeño trozo de tejido llegan hasta un terabyte de datos, lo bastante para contener 220 millones de páginas de texto.
En una revisión publicada en New Scientist, Terrence Sejnowski, el profesor de Neurobiología Computacional, Francis Crick, del Instituto Salk, dice en su libro «da un sentido de emoción a la vanguardia de la neurociencia». Sejnowski señala que la conectómica, al igual que la genómica, se verá favorecida por el rápido avance de la tecnología. «Una vez que se ha logrado un determinado umbral, algo que parecía imposible se vuelve factible, y pronto se convierte en rutina», escribe.
El cableado cerebral
Mientras que el conectoma de cada persona es diferente, las diferencias extremas pueden explicar trastornos mentales como el autismo y la esquizofrenia. Los neurólogos han especulado largamente acerca de que el autismo y la esquizofrenia son causadas por problemas con el cableado del cerebro, pero aún no han sido capaces de probar esta teoría. Una vez que un conectoma humano típico haya sido mapeado, los científicos podrán compararlo con los diagramas de cableado de pequeñas porciones de cerebros de los ratones, diseñados para expresar el autismo o los síntomas de la esquizofrenia, con la esperanza de averiguar por qué estos trastornos surgen y, potencialmente, cómo tratarlos.
«Encontrar esas diferencias, por supuesto, no significa una cura o tratamiento, es sólo un punto de partida. Pero me atrevería a decir que ser capaz de ver esas diferencias sería un gran paso adelante», comenta Seung. «Imagíne el estudio de las enfermedades infecciosas antes de que hubieran microscopios. Se podían ver los síntomas, pero no se podían ver a los microbios. Por eso, durante mucho tiempo, la gente no creía que la esquizofrenia tuviese una base biológica, porque ellos veían el cerebro y ahí no había nada claramente erróneo.»
En la última sección de Connectome, Seung aborda algunas aplicaciones futuristas de la conectómica, ideas extraídas directamente de la ciencia ficción, como la carga de cerebros humanos en las computadoras o cuerpos congelados para conservarlos hasta que la tecnología se desarrolle para traerlos de nuevo a la vida.
«Mi meta en esos capítulos, es apuntar que podemos empezar a analizar esos sueños de una manera crítica», dice Seung. Por ejemplo, sugiere que la criónica sólo será un plan factible si se puede demostrar que el conectoma sobrevive intacto a la congelación y descongelación. «Mi idea en esos capítulos es introducir una dosis de ciencia en la ciencia ficción.»
Fuente: Bitnavegantes
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