El primer mapa virtual del cerebro humano

Es increíble, ver como ha llegado la tecnología a formar parte de nuestro día a día. Del mismo modo, además de ayudarnos a desempeñar funciones banales, es admirable descubrir que en campos más complejos, esta tecnología nos ayuda a encontrar soluciones más importantes como sucede en el campo de la neurociencia, que poco a poco, nos hace ir hacia el encuentro de mejoras y soluciones, como ejecutar experimentos virtuales, probar hipótesis y analizar los efectos de los medicamentos de manera mas eficiente, que utilizando muestras de tejido cerebral.

En este artículo, desde Omicrono, queremos acercaros algunos descubrimientos o proyectos que llevan desde hace años, haciendo mella en las probetas españolas e internacionales del campo de la neurociencia y la bioquímica.

SIMULADOR DEL CEREBRO

Investigadores españoles, como parte de un consorcio internacional, han diseñado un modelo funcional de cerebro o simulador por ordenador, inspirado en otros como los ya existentes en aeronáutica para simular vuelos, que permitirá experimentar con este órgano y obtener nuevos datos sobre enfermedades neurológicas.

En la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, comenzaron a trabajar en el año 2005, científicos del Brain Mind Institute junto con técnicos de la IBM, para desarrollar, un modelo de trabajo de la columna neocortical de un ratón, llamado Blue Brain Project. Previeron que en tres años tendrán el cerebro completo del roedor y en la década siguiente, el simulador de un cerebro humano.

En 2008, la UPM se incorporó al consorcio Blue Brain cuando este trabajo se lanzó a nivel internacional, iniciativa a la que se sumó el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, para coordinar ambos la participación española en el proyecto.

Años después, en el 2009, con la participación española en el mismo campo, la iniciativa Cajal Blue Brain, financiada por el Ministerio de Ciencia e Innovación que aglutina a doce equipos de investigadores de distintos institutos y centros científicos, liderados por la UPM y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). El proyecto, que contribuirá a experimentar distintos comportamientos del cerebro, fué presentado por el presidente del CSIC, Rafael Rodrigo, y el rector de la UMP, Javier Uceda, acompañados del director del proyecto Blue Brain, Henry Markram, y el del Center of Neuroscience and Technology (CNT) de L’Ecole Polytechnique de Lausanne (Suiza).

Este modelo consta en principio de 10.000 neuronas y 30 millones de conexiones sinápticas y la zona escogida lo ha sido por ser un punto especialmente complejo, con muchos tipos diferentes de sinapsis y canales de iones. Este modelo servirá para que los neurólogos puedan ejecutar experimentos, probar hipótesis y analizar los efectos de las drogas y medicamentos de manera mas eficiente que utilizando muestras de tejido cerebral.

Según Thomas Serre, investigador en neurociencia computacional en el MIT – “Es asombroso el trabajo. Esto puede tener un enorme impacto en la neurociencia.”. Henry Markram, codirector del proyecto afirma que están haciendo “ingeniería inversa” es decir, a partir de datos confirmados de la conducta del cerebro a las neuronas individuales (un trabajo enormemente complicado por la enorme cantidad de variables) están creando el modelo a partir de las grabaciones electrofisiologías de la columna neocortical de las ratas, morfología neuronal, expresiones genéticas, canales de iones o conectividad sináptica. Ese mismo año, la empresa EFE comunica en una rueda de prensa con los responsables, que gracias a las novedosas herramientas informáticas, este pionero simulador cerebral, presentado en el Paraninfo de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ayudará a buscar soluciones a enfermedades neurológicas actualmente intratables, como el Alzheimer y supondrá “una revolución en el estudio del cerebro“, según los responsables del proyecto.

A la par, un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Bioquímica (Alemania), encabezado por el físico español Rubén Fernández-Busnadiego, ha conseguido obtener imágenes en 3D de las vesículas y filamentos implicados en la comunicación neuronal. El método se basa en una novedosa técnica de microscopía electrónica que enfría las células tan rápido que permite congelar las estructuras biológicas en plena actividad.

“Hemos aplicado la crio-tomografía electrónica, una novedosa técnica de microscopía basada en la congelación ultrarrápida de células, al estudio y obtención de imágenes tridimensionales de la sinapsis, la estructura celular donde tiene lugar la comunicación entre las neuronas del cerebro de los mamíferos” explica a SINC Rubén Fernández-Busnadiego, primer autor del estudio que este mes es portada de la revista Journal of Cell Biology y físico del Instituto Max Planck de Bioquímica (Alemania).

En la imagen que tenemos a la izquierda, vemos la visualización tridimensional de la sinapsis mediante tomografía electrónica: vesículas sinápticas (amarillo), membrana celular (violeta), conectores entre vesículas (rojo), filamentos que anclan las vesículas a la membrana celular (azul marino), microtúbulo (verde oscuro), material del espacio sináptico (verde claro) y densidad postsináptica (naranja). Imagen: Fernández-Busnadiego et al.(clic para ampliar)

En la sinapsis una célula presináptica (emisor) libera neurotransmisores sobre otra postsináptica (receptor), generando en ella un impulso eléctrico y estableciendo así la transmisión de información nerviosa. En este trabajo los investigadores se han centrado en las diminutas vesículas (de unos 40 nanómetros de diámetro) que transportan y liberan los neurotransmisores desde los terminales presinápticos. “Gracias a la aplicación de determinados tratamientos farmacológicos y del avanzado método de análisis de imágenes 3D que hemos desarrollado, se puede observar la multitud de estructuras filamentosas que pueblan el terminal presináptico e interactúan directamente con las vesículas sinápticas, así como descubrir su papel fundamental en respuesta a la actividad eléctrica del cerebro”, destaca Fernández-Busnadiego.

Los filamentos conectan a las vesículas entre sí y con la zona activa, la parte de la membrana celular donde se produce la liberación de los neurotransmisores. Según el físico español, estas estructuras filamentosas actúan como barreras que limitan el libre movimiento de las vesículas, manteniéndolas en su lugar hasta que llega el impulso eléctrico, además de determinar la facilidad con la que se fusionan con la membrana.

Imágenes bajo cero

La técnica en la que se basan estos descubrimientos, la crio-tomografía electrónica, permite obtener imágenes tridimensionales del interior de las células y minimizar las alteraciones estructurales. Esto es posible porque las células no están fijadas con reactivos químicos sino que están vitrificadas, es decir, congeladas tan rápidamente que el agua de su interior no tiene tiempo de cristalizar y se mantiene en estado sólido. El uso de microscopios especialmente equipados permite la visualización de estas muestras, que se conservan siempre a temperaturas de nitrógeno líquido (inferiores a -140 ºC). Además, este método no requiere de tinciones adicionales, por lo que la densidad de las estructuras biológicas se observa directamente.

Vía || pasalavida.org y diariodemallorca.es