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En su búsqueda para mapear los millones conexiones neuronales en el cerebro, los investigadores del Instituto Allen, en Estados Unidos, han dado un importante paso hacia adelante al presentar una nueva vista de alta resolución del diagrama de cableado del cerebro del ratón, según publican en la revista 'Nature'. El estudio trazó miles de conexiones entre las áreas del cerebro y sienta las bases para que los investigadores comprendan mejor cómo los circuitos cerebrales podrían fallar en enfermedades y trastornos como la enfermedad de Alzheimer y la esquizofrenia. (Lea: Una de cada siete muertes en niños es causada por la neumonía y otras infecciones respiratorias)
El conjunto de datos disponible públicamente resultante de aproximadamente mil nuevos experimentos representa el mapa más detallado de conexiones en un cerebro de mamífero hasta la fecha, rastreando el cableado neuronal dentro y entre el tálamo y la corteza, la capa más externa del cerebro de mamífero que es responsable de las funciones de nivel superior. como memoria, toma de decisiones y comprensión del mundo que nos rodea.
Examinando los datos, los investigadores descubrieron un "organigrama" subyacente de cableado entre las diferentes áreas que comprenden estas dos estructuras, mostrando un orden definido para las conexiones que son la base de lo que hace que nuestro cerebro funcione.
"Estas conexiones son la forma principal en que las neuronas se comunican entre sí. Las redes elaboradas y complicadas en el cerebro, sus diferentes vías y subsistemas, procesan todo lo que vemos, nuestros movimientos, recuerdos y sentimientos --explica Hongkui Zeng, director ejecutivo de Ciencia Estructurada en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro y autor principal--. Comprender la conectividad del cerebro es fundamental para comprender cómo funciona".
El estudio describe una expansión de alta resolución del Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, un recurso disponible públicamente que captura el diagrama de cableado del ratón en todo el cerebro, su 'conectoma', a un nivel medio (o mesoescala) de resolución. La iteración original de ese conjunto de datos, que se estrenó por primera vez en 2014, capturó conexiones entre regiones cerebrales.
Para obtener una visión más detallada de cómo está conectado el cerebro de los mamíferos, los investigadores estudiaron las conexiones entre clases específicas de neuronas que cubren dos partes principales del cerebro, la corteza y el tálamo. Los experimentos del equipo se basaron en un virus especialmente modificado que rastrea las rutas de las neuronas, iluminando las rutas de información del cerebro en colores brillantes.
Si la primera iteración capturó el equivalente de las vías del ferrocarril en el sistema de tránsito del cerebro, esta nueva expansión agrega las rutas específicas de un punto a otro: la versión neural de la línea roja y la línea azul.
El conjunto de datos recién adquirido captura las conexiones entre las neuronas en el tálamo y la corteza, utilizando etiquetas especiales para iluminar cinco tipos diferentes de neuronas que habitan en diferentes capas de la corteza.
El cerebro del ratón tiene aproximadamente 85 millones de neuronas que hacen aproximadamente 100.000 millones de conexiones, o sinapsis. Nadie ha mapeado aún un conectoma completo sinapsis por sinapsis de un cerebro de mamífero, pero capturar las conexiones realizadas por diferentes clases de células permitió a los investigadores descubrir nueva información sobre cómo se organiza el diagrama de cableado.
"Este es otro estudio histórico que aborda cuestiones fundamentales de la organización del cerebro en el ratón --destaca David Van Essen, profesor de Neurociencia Alumni de la Universidad de Washington y asesor científico del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro--. El equipo ha adquirido, analizado y compartido libremente una gran cantidad de datos de conectividad anatómica de alta calidad, proporcionando así la descripción más amplia del 'meso-conectoma' hasta la fecha para el cableado de cualquier cerebro de mamífero".
Se han observado alteraciones en las conexiones cerebrales en la enfermedad de Alzheimer, el Parkinson y varias otras enfermedades y trastornos cerebrales. Julie Harris, directora asociada de Neuroanatomía en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, quien dirigió el estudio de conectividad, ahora está liderando un esfuerzo para explorar un mapa similar de conexiones en un modelo de ratón de Alzheimer para comprender mejor cómo el diagrama de cableado --y su organización subyacente-- podría cambiar en esta forma prevalente de demencia.
"Lo que salió de estos datos fue un gran lío de conexiones, y a primera vista parecía que todo estaba conectado a todo --apunta Harris, coautor principal del artículo de 'Nature' junto con Stefan Mihalas, investigador asociado en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro--. "a gran pregunta para nosotros fue, ¿cómo da sentido a estos patrones? ¿Hay alguna lógica detrás de esto?".
Utilizando un enfoque computacional, los investigadores descubrieron que diferentes secciones de la corteza y el tálamo pueden mapearse en una jerarquía, al igual que el organigrama de una empresa. Las partes de la corteza que están especializadas para la información recopilada a través de nuestros sentidos, como la visión y el olfato, se encuentran en los peldaños inferiores y las regiones que manejan información más complicada, como recuperar un recuerdo evocado por un aroma familiar, se sientan en la parte superior.
Las conexiones fluyen hacia arriba y hacia abajo en el organigrama del cerebro, pero las conexiones que se mueven hacia arriba son diferentes de las que se mueven hacia abajo. También descubrieron que no todas las conexiones respetan estas leyes jerárquicas. Hay indicios de que la corteza humana utiliza el mismo sistema organizativo, y un estudio previo dirigido por Van Essen mostró una jerarquía similar en las regiones visuales del cerebro de los primates.
"Esta no es una jerarquía simple, como una secuencia unidireccional de pasos ascendentes. Hay muchas conexiones que no siguen las estrictas reglas jerárquicas. Pero esto nos dice algo sobre el flujo probable de información en estas partes del mamífero cerebro --señala Christof Koch, científico jefe y presidente del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro y uno de los coautores--. El siguiente paso será observar directamente cómo las neuronas pasan la información a través de su actividad eléctrica para confirmar que este patrón es importante".