Ingenieros especializados en inteligencia artificial publicaron un intrincado mapa de cada célula y conexión neuronal de un milímetro cúbico del cerebro humano
Según Google, es el mapa cerebral más grande con este nivel de detalle hasta la fecha, y está disponible gratuitamente en línea.
Para hacer el mapa, los investigadores cortaron el tejido dividido en 5.300 secciones, cada una de 30 nanómetros de grosor, y las fotografiaron con un microscopio electrónico de barrido a una resolución de 4 nanómetros. Los 225 millones de imágenes resultantes se alinearon computacionalmente y se cosieron nuevamente en una representación digital en 3D de la región.
Asimismo, según detallaron los ingenieros especializados en inteligencia artificial, los algoritmos de aprendizaje automático segmentaron células individuales y clasificaron sinapsis, axones, dendritas, células y otras estructuras, y los humanos verificaron su trabajo.
El equipo investigador también publicó un documento preimpreso sobre el mapa en el sitio de preimpresiones científicas bioArxiv.
Reconstrucción conectómica de petabytes de un volumen de neocorteza humana. Izquierda: pequeño subvolumen del conjunto de datos. Derecha: Un subgrafo de 5000 neuronas y conexiones excitadoras (verde) e inhibidoras (rojo) en el conjunto de datos. El gráfico completo (conectoma) sería demasiado denso para visualizarlo (Google/Harvard)
Reconstrucción conectómica de petabytes de un volumen de neocorteza humana. Izquierda: pequeño subvolumen del conjunto de datos. Derecha: Un subgrafo de 5000 neuronas y conexiones excitadoras (verde) e inhibidoras (rojo) en el conjunto de datos
. El gráfico completo (conectoma) sería demasiado denso para visualizarlo (Google/Harvard)
En 2020, Google y el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes fueron noticia cuando mapearon de manera similar una parte del cerebro de una mosca de la fruta. Ese mapa, en ese momento el más grande hasta ahora, cubría unas 25.000 neuronas y 20 millones de sinapsis. Además de apuntar al cerebro humano, en sí mismo notable. El nuevo mapa, presentado en estos días, incluye decenas de miles de neuronas y 130 millones de sinapsis. Ocupa 1,4 petabytes de espacio en disco.
En comparación, más de tres décadas de imágenes satelitales de la Tierra del programa Landsat de la NASA requieren 1.3 petabytes de almacenamiento.
Las colecciones de imágenes cerebrales en las escalas más pequeñas son como “un mundo en un grano de arena”, dijo Clay Reid del Instituto Allen a Nature, citando a William Blake en referencia a un mapa anterior del cerebro del ratón.
El mapa cerebral combina alrededor de 225 millones de fotos
Todo eso, sin embargo, es solo una millonésima parte del cerebro humano. Es decir, todavía faltan años para un mapa igualmente detallado de todo el asombroso órgano. Aun así, el trabajo muestra qué tan rápido se mueve el campo. Un mapa de esta escala y detalle hubiera sido inimaginable hace unas décadas.
Muchas células gliales aparecen "pegadas" a grandes células piramidales, y muchas aparecen justo al lado de los somas (Google/Harvard)
Muchas células gliales aparecen "pegadas" a grandes células piramidales, y muchas aparecen justo al lado de los somas (Google/Harvard)
En colaboración con el Laboratorio Lichtman de la Universidad de Harvard, el equipo investigador ahora publicó el conjunto de datos “H01” , una representación de 1,4 petabytes de una pequeña muestra de tejido cerebral humano, junto con el documento complementario, “Un estudio conectómico de un fragmento de petaescala de humanos corteza cerebral“.
Se obtuvieron imágenes de la muestra H01 a una resolución de 4 nm mediante microscopía electrónica de sección en serie, reconstruido y anotado mediante técnicas computacionales automatizadas, y analizado para obtener información preliminar sobre la estructura de la corteza humana.
El conjunto de datos comprende datos de imágenes que cubren aproximadamente un milímetro cúbico de tejido cerebral e incluye decenas de miles de neuronas reconstruidas, millones de fragmentos de neuronas, 130 millones de sinapsis anotadas, 104 células revisadas y muchas estructuras y anotaciones subcelulares adicionales, todo fácilmente accesible con la interfaz del navegador Neuroglancer H01 es hasta ahora la muestra más grande de tejido cerebral fotografiado y reconstruido con este nivel de detalle, en cualquier especie, y el primer estudio a gran escala de la conectividad sináptica en la corteza humana que abarca múltiples tipos de células en todas las capas de la corteza..
Los objetivos principales de este proyecto son producir un recurso novedoso para estudiar el cerebro humano y mejorar y escalar las tecnologías de conectómica subyacentes.
¿Qué es la corteza humana?
La corteza cerebral es la capa superficial delgada del cerebro que se encuentra en los animales vertebrados y que ha evolucionado más recientemente, mostrando la mayor variación de tamaño entre los diferentes mamíferos (es especialmente grande en los humanos).
Cada parte de la corteza cerebral tiene seis capas, con diferentes tipos de células nerviosas (p. Ej., Espinosas estrelladas) en cada capa. La corteza cerebral juega un papel crucial en la mayoría de las funciones cognitivas de nivel superior, como el pensamiento, la memoria, la planificación, la percepción, el lenguaje y la atención. Aunque ha habido algunos avances en la comprensión de la organización macroscópica de este tejido tan complicado, su organización a nivel de las células nerviosas individuales y sus sinapsis interconectadas es en gran parte desconocida.
Axón verticilo - Axón en espiral único que produce múltiples floretes y sinapsis en el soma y los ejes dendríticos de las neuronas (Google/Harvard)
Axón verticilo - Axón en espiral único que produce múltiples floretes y sinapsis en el soma y los ejes dendríticos de las neuronas (Google/Harvard)
Cómo mapearon el cerebro
El estudio de los circuitos celulares del cerebro se conoce como conectómica. Obtener el conectoma humano, o el diagrama de cableado de todo el cerebro, es un disparate similar al genoma humano.
Y al igual que el genoma humano, al principio parecía una hazaña imposible.
Los únicos conectomas completos son para criaturas simples: el gusano nematodo ( C. elegans ) y la larva de una criatura marina llamada C. intestinalis . Hay una muy buena razón para ello. Hasta hace poco, el proceso de mapeo consumía mucho tiempo y era costoso.
Los investigadores que mapearon C. elegans en la década de 1980 utilizaron una cámara de película conectada a un microscopio electrónico para obtener imágenes de cortes del gusano, luego reconstruyeron las neuronas y las conexiones sinápticas a mano , como un rompecabezas tridimensional tremendamente difícil. C. elegans tiene solo 302 neuronas y aproximadamente 7.000 sinapsis, pero el borrador de su conectoma tomó 15 años, y un borrador final tomó otros 20.
Claramente, este enfoque no escalaría.
¿Qué ha cambiado en estos años? En resumen, automatización. En estos días, las imágenes en sí mismas son, por supuesto, digitales. Un proceso conocido como fresado con haz de iones enfocado reduce cada corte de tejido unos pocos nanómetros a la vez. Después de que se vaporiza una capa, un microscopio electrónico toma imágenes de la capa recién expuesta. Luego, el haz de iones corta la capa de la imagen y la siguiente, hasta que todo lo que queda del corte de tejido es una copia digital de resolución nanométrica.
Está muy lejos de los días de Kodachrome.
Interneuronas L2 - Una selección de todas las interneuronas L2 que tienen más de 800 sinapsis excitadoras entrantes (Google/Harvard)
Interneuronas L2 - Una selección de todas las interneuronas L2 que tienen más de 800 sinapsis excitadoras entrantes (Google/Harvard)
Pero quizás la mejora más dramática es lo que sucede después de que los científicos completan ese montón de imágenes.
En lugar de ensamblarlos a mano, los algoritmos se hacen cargo. Su primer trabajo es ordenar los cortes con imágenes. Luego hacen algo imposible hasta la última década. Alinean las imágenes exactamente, trazando el camino de las células y las sinapsis entre ellas y, por lo tanto, construyen un modelo 3D. Los seres humanos todavía revisan los resultados, pero ya no hacen lo más difícil. Incluso la corrección de pruebas se puede refinar. El renombrado neurocientífico y defensor de la conectómica Sebastian Seung, por ejemplo, creó un juego llamado Eyewire, donde miles de voluntarios revisan las estructuras.
“Es realmente hermoso de ver”, dijo a Nature en 2019 Jeff Lichtman, de Harvard, cuyo laboratorio colaboró con Google en el nuevo mapa. Los programas pueden rastrear neuronas más rápido de lo que el equipo puede producir datos de imágenes, dijo. “No podemos seguirles el ritmo. Ese es un gran lugar para estar“.
Seunge explicó que las personas son su conectoma. “Reconstruye las conexiones y reconstruye la mente misma: recuerdos, experiencia y personalidad”, precisó, en una charla TED de 2010.
Vasos sanguíneos - Vasculatura dentro del tejido renderizado en 3D (Google/Harvard)
Vasos sanguíneos - Vasculatura dentro del tejido renderizado en 3D (Google/Harvard)
Pero la conectómica no ha estado libre de controversias a lo largo de los años. No todo el mundo cree que el mapeo del conectoma a este nivel de detalle sea necesario para una comprensión profunda del cerebro. Y, especialmente en el pasado anterior y más artesanal del campo, a los investigadores les preocupaba que la escala de recursos requeridos simplemente no arrojará resultados comparativamente valiosos, u oportunos.
“No necesito conocer los detalles precisos del cableado de cada célula y cada sinapsis en cada uno de esos cerebros”, expresó el científico Anthony Movshon en 2019. “Lo que necesito saber, en cambio, son los principios organizacionales que los unen”.
Estos, cree Movshon, probablemente se pueden inferir a partir de observaciones a resoluciones más bajas.
Además, una instantánea estática de las conexiones físicas del cerebro no explica necesariamente cómo se utilizan esas conexiones en la práctica.
“Un conectoma es necesario, pero no suficiente”, han dicho algunos científicos a lo largo de los años. De hecho, puede ser en la combinación de mapas cerebrales, incluidos los mapas funcionales de nivel superior que rastrean las señales que fluyen a través de las redes neuronales en respuesta a los estímulos, que el funcionamiento interno del cerebro se ilumine con el más nítido detalle.
Aun así, el conectoma de C. elegans ha demostrado ser un pilar fundamental para la neurociencia a lo largo de los años. Y la velocidad cada vez mayor del mapeo está comenzando a sugerir objetivos que alguna vez parecieron poco prácticos, en realidad pueden estar al alcance en las próximas décadas.
Interacción de dendritas trepadoras - Dos dendritas de axones separados que corren en paralelo, uno al lado del otro (Google/Harvard)
Interacción de dendritas trepadoras - Dos dendritas de axones separados que corren en paralelo, uno al lado del otro (Google/Harvard)
Seung cree que cuando comenzó, estimó que le tomaría un millón de años a una persona rastrear manualmente todas las conexiones en un milímetro cúbico de corteza humana.
El cerebro entero, infirió además, tomaría el orden de un billón de años. Es por eso que la automatización y los algoritmos han sido tan cruciales para el campo.
Gerry Rubin, biólogo americano especializado en genomas y genética, expresó que él y su equipo han supervisado un aumento de 1000 veces en la velocidad de mapeo desde que comenzaron a trabajar en el conectoma de la mosca de la fruta en 2008. El conectoma completo, cuya primera parte se completó el año pasado, podría llegar en 2022.
Otros grupos están trabajando en otros animales, como los pulpos, y dicen que comparar cómo se conectan las diferentes formas de inteligencia puede resultar un terreno particularmente rico para el descubrimiento.
El conectoma completo de un ratón, un proyecto que ya está en marcha, puede seguir a la mosca de la fruta a finales de la década. Rubin estima que pasar del ratón al ser humano necesitaría otro millón de veces más en la velocidad del mapeo.
Pero señala el aumento de un billón de veces en la velocidad de secuenciación del ADN desde 1973 para demostrar que mejoras técnicas tan dramáticas no tienen precedentes.
El genoma también puede ser una comparación adecuada de otra manera. Incluso después de secuenciar el primer genoma humano, se han necesitado muchos años para escalar la genómica hasta el punto de que podamos realizar más plenamente su potencial. Quizás ocurra lo mismo con la conectómica.
Neurona con dos axones - Ambos hacen sinapsis salientes dentro del volumen (Google/Oxford)
Neurona con dos axones - Ambos hacen sinapsis salientes dentro del volumen (Google/Oxford)
Incluso cuando la tecnología abre nuevas puertas, puede llevar tiempo comprender y hacer uso de todo lo que tiene para ofrecer.
“Creo que la gente estaba impaciente por lo que los conectomas proporcionarían”, opinó Joshua Vogelstein, cofundador del Open Connetome Project, el año pasado. “La cantidad de tiempo que transcurre entre la siembra de una buena tecnología y la práctica científica real utilizando esa tecnología suele ser de aproximadamente 15 años.
Ahora han pasado 15 años y podemos empezar a hacer ciencia“.
Los defensores esperan que los mapas cerebrales proporcionen nuevos conocimientos sobre cómo funciona el cerebro, desde el pensamiento hasta las emociones y la memoria, y cómo diagnosticar y tratar mejor los trastornos cerebrales. Otros, entre ellos Google sin duda, esperan obtener información que pueda conducir a una informática más eficiente (el cerebro es asombroso a este respecto) y una poderosa inteligencia artificial.
No se sabe exactamente qué encontrarán los científicos a medida que, neurona por sinapsis, mapeen el funcionamiento interno de nuestras mentes, pero parece que esperan algunos grandes descubrimientos
