Mapear el cerebro para entender la mente

Los neurocientíficos llevan mucho tiempo aspirando comprender las propiedades intangibles de la mente. Nuestras cualidades cerebrales más preciadas, como la capacidad de pensar, escribir poesía, enamorarse e incluso imaginar un reino espiritual superior, se generan en el cerebro. Pero sigue siendo un misterio cómo la masa blanda, rosada y arrugada del cerebro físico da lugar a estas experiencias impalpables.

Algunos neurocientíficos creen que la clave para descifrar ese misterio es un mejor mapa de los circuitos del cerebro. Hace casi 40 años, científicos lograron un hito al completar un diagrama de cableado que trazaba todas las conexiones de las 302 neuronas del gusano redondo Caenorhabditis elegans. Se trazaron a mano en hojas impresas de imágenes de microscopio electrónico, una tarea meticulosa y hercúlea que tardó años en completarse. El proyecto supuso el primer conectoma completo de la historia —un mapa exhaustivo de las conexiones neuronales del sistema nervioso de un animal—.

Hoy en día, gracias a los avances en informática y algoritmos de análisis de imágenes, se puede tardar menos de un mes en trazar el conectoma de un gusano redondo. Estas mejoras tecnológicas significan que los científicos pueden poner sus miras en animales más grandes. Se están acercando al conectoma de las larvas de la mosca de la fruta, con más de 9.000 células, y al de las moscas adultas, con 100.000 neuronas.

Luego, esperan cartografiar el cerebro de un pez en desarrollo y, quizá en la próxima década, el de un ratón, con unos 70 millones de neuronas —un proyecto casi mil veces más ambicioso que cualquiera de los realizados hasta ahora—. Y ya han empezado a cartografiar pequeños trozos del cerebro humano, una búsqueda insondable cuando se cartografió inicialmente el conectoma del gusano.

Aunque algunos neurocientíficos han argumentado que los mapas por sí solos no pueden decirnos mucho sobre la función del cerebro, varios estudios recientes han sugerido lo contrario —al menos en el caso de los animales más pequeños—. En un estudio publicado en octubre de 2021, por ejemplo, los investigadores examinaron una región del cerebro de la mosca de la fruta que ayuda a las moscas a navegar durante el vuelo. Al cartografiar el conectoma de esta región, los científicos identificaron nuevos tipos de neuronas y mostraron cómo sus conexiones podrían permitir a la mosca realizar los cálculos necesarios. Otro estudio, publicado en septiembre de 2021, combinó los datos del conectoma del gusano redondo con técnicas de visualización de la actividad neuronal para mostrar cómo determinadas neuronas contribuyen a aspectos específicos del comportamiento de apareamiento del gusano redondo.

El neurocientífico de Harvard Jeff Lichtman está a la vanguardia de la investigación del conectoma. Su laboratorio trabaja para cartografiar los circuitos neuronales de diferentes animales, incluidos gusanos, moscas, peces, ratones y humanos, y ha desarrollado varios métodos que ahora utilizan otros investigadores en este campo. Por ejemplo, fue uno de los desarrolladores de Brainbow, una técnica genética que puede etiquetar neuronas individuales en cientos de tonos diferentes, produciendo imágenes espectaculares del cerebro. Más recientemente, ha desarrollado herramientas para analizar minúsculos cortes de cerebro con microscopios electrónicos de alta resolución. En 2021, Lichtman hizo otra gran contribución cuando él y sus colegas de Google y Harvard publicaron un informe, aún pendiente de revisión por pares, de un diagrama de cableado completo de un trozo de cerebro humano del tamaño de una cabeza de alfiler.

Lichtman, que fue coautor de una revisión de los retos que supone extraer información útil de las enormes cantidades de datos de la conectómica en el Annual Review of Neuroscience, habló con Knowable sobre cómo este campo podría conducir a una comprensión más profunda de la función cerebral. Esta conversación ha sido condensada y editada para mayor claridad.

¿Por qué necesitamos mapas neuronales para entender el cerebro?

Hay un montón de respuestas diferentes a por qué los necesitamos. Lo que diferencia al cerebro de todos los demás órganos es que su función está mediada por células que se comunican entre sí a grandes distancias. Las neuronas tienen esta propiedad única: pueden enviar una parte de sí mismas, su axón, a una distancia muy larga. En los mamíferos, estas distancias pueden ser de más de un centímetro o más. En el caso de una jirafa, algunas de las neuronas tienen probablemente muchos metros de longitud. No se puede entender la función de esa célula si no se puede rastrear a dónde envía su axón y con quién habla. Por lo tanto, cartografiar esas conexiones es fundamental. Es un requisito que no es relevante para estudiar cualquier otro sistema de órganos del cuerpo.

¿En qué se diferencia la conectómica de la neurociencia tradicional?

La conectómica es una herramienta de mapeo realmente perfecta para revelar cosas sobre el cerebro que se necesitan conocer para generar nuevas hipótesis. La mayoría de las veces, lo que mueve la aguja en la ciencia no es el hecho de que alguien haya ideado una gran hipótesis y la haya puesto a prueba. Sino que los datos revelaron algo que no encajaba en el panorama hipotético del momento y obligaron a pensar de nuevas maneras. Los datos proporcionan cosas que su imaginación no era lo suficientemente grande como para haberlo pensado.

¿Cree que necesitamos nuevas hipótesis sobre el cerebro?

Soy de la opinión de que la mayoría de nuestras ideas sobre el cerebro son erróneas. Son erróneas porque no tenemos datos, y técnicas como el mapeo proporcionan los datos que nos darán una idea más precisa de lo que es realmente el cerebro. La mayor parte del pensamiento humano es más ingenuo que los procesos biológicos que intenta explicar. Creo que una obviedad en la neurociencia es que los pensamientos que salen del cerebro humano no son tan complicados como la máquina que los genera.

Si eso es cierto, ¿cómo podrán nuestros pensamientos comprender el complejo funcionamiento del cerebro?

Es bastante irónico, ¿verdad? Que esta complicadísima máquina genere pensamientos que no son ni de lejos tan complicados como ella. Pero los humanos han hecho un trabajo realmente asombroso en la descripción de otros fenómenos complicados como el comportamiento de la luz. De hecho, es una de las teorías más exitosas que los humanos han elaborado, pero a ninguna persona pensante se le ocurriría si no se viera obligada por la realidad. La idea de que un fotón pueda actuar como una partícula infinitesimal o como una onda extendida es solo una locura. Sin embargo, entender el cerebro humano es mucho más complicado.

Cuando estamos pensando, nuestro cerebro está haciendo miles o incluso millones de cosas simultáneamente. Esto no es un problema para el cerebro. Pero para nuestro proceso de pensamiento consciente, que normalmente solo atiende a una cosa a la vez, es un problema.

Creo que los neurocientíficos que estudian la conectómica se sienten como exploradores porque se adentran en un terreno que les resulta extraño. Lo mejor que podemos hacer es ser como los primeros naturalistas que catalogaron por primera vez especies de plantas y animales que no se habían visto antes. A corto plazo, no creo que seamos capaces de explicarlo ni de ordenarlo: hay mucha arrogancia en pretender que entendemos el cerebro lo suficiente como para hacerlo. Pero creo que seremos capaces de describirlo. Y tal vez a partir de esas descripciones podamos llegar a entender algo de lo que está ocurriendo.

Usted está involucrado en dos esfuerzos de gran envergadura: cartografiar el cerebro del ratón y del ser humano. ¿Puede hablarnos más de los retos?

Bueno, la conectómica es una tubería. Empiezas con un animal y en el otro extremo, después de quizás 10 o 20 pasos, tienes un diagrama de cableado. Primero hay que conservar el tejido, luego hay que teñirlo, incrustarlo en resina, cortar rodajas y tomar imágenes de ellas. Y luego hay que juntar esas imágenes y alinearlas. Luego hay que revisar lo que se ha hecho con inteligencia artificial. Y solo después de haber hecho todo eso puedes empezar con la razón por la que hiciste todo esto, que era trazar las conexiones. Pero cada uno de esos pasos, y me he saltado varios de ellos, podría fallar por varias razones. Si se tienen 20 pasos que tienen cada uno un 90 % de posibilidades de éxito, solo tendrá éxito 1 de cada 8 veces. Así que hay una razón matemática por la que es difícil llegar hasta el final.

Los críticos argumentan que un conectoma por sí solo no puede revelar cómo funciona el cerebro, y algunos señalan el hecho de que los científicos han tenido el conectoma del gusano durante cuatro décadas y todavía no entienden completamente cómo funciona incluso ese sencillo sistema nervioso. ¿Qué diría usted a eso?

Esa es una descripción realmente injusta de ese trabajo. Creo que la mayoría de las personas que estudian los gusanos prestan mucha atención a ese conjunto de datos. Un equipo de expertos en gusanos y yo publicamos recientemente otro trabajo sobre el conectoma de los gusanos en ocho etapas de desarrollo diferentes. Y fue transformador. Hay más información allí de la que se puede condensar en un solo artículo como conclusión, pero hubo un montón de ideas nuevas que surgieron al comparar los conectomas de una edad a otra.

Los gusanos en fase larvaria muy jóvenes tienen un diagrama de cableado con mucha retroalimentación. Es decir, el animal está, si se quiere, “pensando” mucho antes de actuar. Es análogo a lo que hacen los niños si su profesor les pregunta: “¿Cuánto es 5 por 12?”. Tendrán que darle vueltas en su cabeza si no tienen memorizada la tabla de multiplicar. Finalmente, si sienten que tienen confianza en una respuesta, envían una señal a su músculo deltoides y levantan el brazo en el aire y mueven el bíceps y el tríceps para que el brazo se balancee de un lado a otro para llamar la atención del profesor. Un bebé gusano es más o menos lo mismo. Se ven muchas comprobaciones: “¿Tengo la respuesta?” y “¿Sé lo que tengo que hacer?”. Pero a medida que el animal crece, la retroalimentación se hace cada vez menos evidente. Se convierte en algo más prealimentado: “Sé lo que tengo que hacer y solo lo hago”.

¿Cree que el estudio de los animales más pequeños puede llevar a comprender el cerebro humano?

Creo que la mayoría de la gente estudia estos animales más pequeños con la esperanza de que las lecciones aprendidas se apliquen al funcionamiento del cerebro humano. Pero creo que somos diferentes de todos los demás animales. El desarrollo humano es extraordinariamente prolongado, pero al final de nuestro crecimiento, somos maestros del conocimiento que generamos a través de la experiencia.

Ni siquiera estoy seguro de que los parientes más cercanos que tenemos —los primates no humanos— sean un modelo realmente bueno para nosotros, porque incluso ellos no tienen ni de lejos la dependencia del aprendizaje por experiencia que tenemos nosotros. Me baso en la idea de que el repertorio conductual de nuestros parientes primates más cercanos ha permanecido relativamente inalterado a lo largo de milenios, mientras que yo hago cosas que mis abuelos no podían hacer y mis propios hijos hacen cosas que yo no puedo.

Creo que existe la esperanza de que, tarde o temprano, desvelemos los misterios de cómo las experiencias se incorporan físicamente al diagrama de cableado del cerebro humano.

¿Cree que la conectómica será alguna vez clínicamente relevante?

Creo que hay enfermedades que probablemente sean patologías de las conexiones. Estas “conectopatías” pueden ser un mal cableado a nivel de las sinapsis. El cerebro no hace el número correcto de sinapsis, o las neuronas se están conectando a células excitadoras cuando deberían conectarse a células inhibidoras. Yo afirmaría que la mayoría de los trastornos psiquiátricos y del desarrollo de la función cerebral siguen siendo un misterio porque lo que está mal en el cerebro no puede verse con las técnicas tradicionales. Así que una posibilidad es que, cuando tengamos una forma mejor de observar la estructura fina de la conectividad, tal vez veamos lo que está mal.

Artículo traducido por Debbie Ponchner

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