5 misterios sin resolver sobre el cerebro
Diferentes neuronas humanas estudiadas en el Instituto Allen, como parte de un esfuerzo por registrar todos los diferentes tipos de células cerebrales humanas.
Si le pregunta a Christof Koch, Ph.D., científico jefe y presidente del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, qué tan cerca estamos de entender nuestros propios cerebros, se burla.
“Ni siquiera entendemos el cerebro de un gusano”, dijo Koch .
El gusano redondo del laboratorio, más conocido técnicamente como Caenorhabditis elegans , alberga 302 neuronas y 7.000 conexiones entre esas neuronas en su cuerpo microscópico. Los investigadores han mapeado y descrito cuidadosamente todas esas conexiones en los últimos años. Y todavía no entendemos completamente cómo funcionan sinérgicamente para dar lugar a los comportamientos del gusano.
Nosotros, los humanos, tenemos aproximadamente 86 billones de neuronas en nuestro cerebro, unidas por un estimado de 100 billones de conexiones o sinapsis. Es una tarea desalentadora comprender los detalles de cómo funcionan esas células, y mucho menos cómo se unen para crear nuestros sistemas sensoriales, nuestro comportamiento, nuestra conciencia.
Para la Semana de Concientización sobre el Cerebro de 2019, le pedimos a Koch y sus colegas del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, una división del Instituto Allen, que reflexionen sobre lo mucho que todavía no sabemos sobre el cerebro: nuestro inconsciente cerebral, por así decirlo. – Y cómo estos equipos de investigación están tratando de resolver esos misterios.
¿De qué está hecho el cerebro?
Reconstrucciones de neuronas humanas.
El cerebro está formado, obviamente, por materia gris y materia blanca, tejido cerebral y sus interconexiones o haces de axones.Mire más de cerca la primera y se pueden distinguir las neuronas y la glía (el otro tipo de célula cerebral). Pero estamos lejos de comprender todos los tipos de neuronas y otras células cerebrales en el nivel de lo que hacen.
“¿Cómo podemos entender todo esto si no entendemos cuántos componentes diferentes hay?”, Preguntó Koch.
Él y sus colegas a veces se refieren a esto como el descubrimiento de la “tabla periódica de los tipos de células cerebrales”. Los químicos tienen una tabla organizada que describe los 118 elementos químicos conocidos (los componentes básicos de la materia), pero los neurocientíficos carecen de una categorización tan bien definida de Los bloques de construcción del cerebro.
Es la naturaleza humana, o al menos la naturaleza de muchos científicos, comprender algo categorizándolo. Cuando Koch era un niño, lo primero que haría con una nueva caja de Legos fue clasificarlos en tipos, dijo: “El uno por uno, el uno por dos, el dos por cuatro. , etc. ”
La clasificación de las neuronas no es tan simple. Los investigadores del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro están utilizando varias características para definir un tipo de célula cerebral. Los diferentes equipos del Instituto clasifican las células según los genes que activan y desactivan , sus formas detalladas, las regiones del cerebro a las que se conectan y su comportamiento eléctrico único. Luego viene la difícil tarea de reunir toda esa información para definir los tipos de células cerebrales en base a todos estos atributos.
¿Cómo cambia el cerebro en la enfermedad?
Investigadores del Instituto Allen procesan tejido cerebral humano.
Una gran parte de la comprensión de la lista de partes del cerebro es que los investigadores puedan comprender mejor qué células en el cerebro podrían ser la causa de enfermedades neurológicas y psiquiátricas. Muchos trastornos neuropsiquiátricos no afectan a todo el cerebro de manera uniforme, sino que comienzan o son impulsados por clases específicas de neuronas u otras células cerebrales.
“En este momento, no entendemos qué tipos de células son vulnerables en estas enfermedades”, dijo Boaz Levi , Ph.D., neurocientífico del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro.
Si los investigadores compilan la lista completa de tipos de células cerebrales, podrían ver qué tipos de células mueren, crecer fuera de control o cambiar su curso de enfermedades cerebrales. Luego, los investigadores podrían construir mejores herramientas para estudiar esas células desencadenantes de la enfermedad, y posiblemente terapias dirigidas a un solo tipo de célula en el corazón de la enfermedad.
Como parte del trabajo del Instituto Allen que estudia diferentes tipos de células cerebrales humanas, Levi y sus colegas desarrollan herramientas moleculares para aislar y rastrear esas células específicas. Esas herramientas podrían diseñarse para ofrecer terapias genéticas específicas u otros tratamientos directamente a un determinado tipo de célula. Los investigadores del Instituto Allen ahora están colaborando con un equipo en el Instituto de Investigación de los Niños de Seattle para evaluar si una de estas herramientas podría usarse para tratar el síndrome de Dravet , una forma poco común pero grave de epilepsia en la primera infancia que generalmente es causada por una mutación en una sola. Gen y que afecta a una clase específica de neuronas.
¿Cómo se comunican las neuronas entre sí?
Microscopio electrónico, o EM, imágenes de una sección del cerebro humano generadas en el Instituto Allen. Esta técnica permite a los investigadores mapear el tejido cerebral hasta el nivel de sus conexiones individuales o sinapsis.
Los libros de texto de biología nos dicen que el cerebro se comunica a través de sinapsis, conexiones especializadas entre dos neuronas diferentes.
“Creemos que esto es cierto para muchos tipos de neuronas en el cerebro”, dijo Jack Waters , Ph.D., neurocientífico del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro.
La mayoría de las neuronas utilizan una de las dos moléculas de señalización comunes conocidas como neurotransmisores, GABA o glutamato, que se sabe que pasan a través de sinapsis especializadas. Pero hay muchos otros tipos de moléculas de señalización presentes en el cerebro, y no está claro cómo esas moléculas transmiten su mensaje.
Tomemos, por ejemplo, las moléculas sobre las que actúan la mayoría de las drogas neurológicas o psiquiátricas.
“Si tuviera que desplazarse por todas las drogas de las que la gente ha oído hablar, la mayoría de ellas no actúa sobre el glutamato o el GABA”, dijo Waters. “Con medicamentos como los opioides o los antidepresivos , en realidad no entendemos los mecanismos de las moléculas subyacentes con las que interactúan esos medicamentos”.
Es una pregunta difícil de responder porque es muy amplia, dijo Waters. Pero los datos recopilados a través de un proyecto de colaboración conocido como el proyecto IARPA MICrONS podrían ayudar. Ese trabajo, que se lleva a cabo en parte en el Instituto Allen, está creando la mayor hoja de ruta de conexiones en el cerebro de los mamíferos, mapeando un fragmento de la corteza visual del ratón del tamaño de un grano de arena que contiene alrededor de mil millones de sinapsis. Una vez que esté completo, los investigadores pueden comenzar a armar el rompecabezas de qué moléculas van con qué sinapsis, dijo Waters.
¿Cómo calcula el cerebro?
Los investigadores del Instituto Allen frente al equipo especializado que les permite capturar la actividad en tiempo real de las neuronas en el cerebro del ratón a medida que el animal ve diferentes imágenes naturales.
Si entender la composición del cerebro es un desafío, descubrir cómo se combinan esos miles de millones de componentes para posibilitar todo el complejo comportamiento del cerebro es aún más difícil. El equipo del Observatorio Allen Brain pretende capturar una pequeña parte de esa complejidad: cómo el cerebro de un mamífero representa y procesa la información visual.
Los neurocientíficos han estado estudiando la parte visual del cerebro de los mamíferos durante décadas, pero hasta hace poco la tecnología solo les permitía capturar información de un puñado de neuronas a la vez. Es como si hubieras intentado ver una película pero solo pudieras ver 1000 píxeles de varios millones en la pantalla, dijo Koch.
“Imagínate que tienes que inferir quién ama a quién, quién apuñala a quién, qué es lo que está sucediendo desde esos pocos píxeles”, dijo. “Esa es la situación que has tenido en neurociencia hasta hace poco. Grabas de un puñado de neuronas e intentas inferir algunos principios comunes ”.
Los investigadores en el equipo del Observatorio ahora están viendo decenas de miles de neuronas a medida que se activan en tiempo real. ¿En cuanto a esos principios de computación? Hasta el momento, no parece haber una respuesta simple, dijo Koch.
¿Qué significará entender nuestros cerebros?
Cuando pensamos en comprender algo, a menudo pensamos en poder explicarlo de una manera relativamente simple. En la ciencia, los investigadores en otros campos consideran a la física como un modelo de comprensión, dijo Koch, quien también es físico. El mundo físico se presta a abstracciones que pueden reducirse a ecuaciones (relativamente) simples.
Pero ¿y si la biología no lo hace? Cuanto más Koch y otros en el Instituto Allen estudian el cerebro a gran escala, observando muchas o la mayoría de las células en el cerebro en lugar de solo unas pocas, más se dan cuenta de que incluso las partes de la neurociencia que pensaban que el campo había clavado son Más complicado de lo que nadie se había dado cuenta.
“Puede que no haya un camino sencillo para comprender sistemas complejos conformados por la selección natural”, dijo Koch. “A la evolución no le importa la elegancia. Al cerebro no le importa si lo entiendes.
Entonces, ¿cómo podemos llegar a un entendimiento del cerebro que ayude a alimentar la investigación médica y satisfacer nuestra curiosidad acerca de este órgano que nos hace únicamente quienes somos? Podría tomar más poder computacional, dijo Koch. Los modelos de computadora pueden ayudar, pero podemos necesitar muchos para explicar cada pequeña pieza del rompecabezas. O podría significar simplemente abrazar el poder del big data.
La buena noticia es que la tecnología ha avanzado hasta el punto en que podemos recopilar y almacenar esos datos en cantidades cada vez mayores. Y en los últimos años, ha habido un creciente interés y financiamiento por la neurociencia, gracias en parte a la Iniciativa BRAIN 2013 a través de los Institutos Nacionales de la Salud.
“Esta es una era dorada de la ciencia del cerebro”, dijo Koch. “Hay muchos más recursos e institutos, como el nuestro, donde podemos hacer preguntas que eran realmente impensables hace 20 años”.
