Conectoma (I): El cerebro

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El neurocientífico del MIT, Sebastian Seung, ha publicado el libro My connectome, myself en el que describe la importancia de la conectividad neuronal y es continuación de la charla TED subtitulada al español Yo soy mi conectoma.

El cerebro es una de las estructuras más complejas del universo. Una estructura de grandes números (aunque estos números parecen más un dogma que una realidad comprobada). La cantidad de neuronas es de:

Cien mil millones = 100.000.000.000 = 10^11

y la de sinapsis es de:

Cien billones = 100.000.000.000.000 = 10^14

El cerebro contiene más neuronas que estrellas hay en la Vía Láctea. Con los medios actuales puede llevar años rastrear las ramas y sinapsis de una sola neurona. En comparación, los científicos que secuenciaron el ADN solo tuvieron que mapear tres mil millones de bases. Según Seung:

Hay un millón de veces más conexiones en el cerebro que letras tiene el genoma
Claramente, los genes son muy importantes, pero dado que no cambian después de la concepción, no pueden tener en cuenta los efectos de la experiencia.

Niveles de organización cerebral

Podemos dividir el cerebro en distintos niveles de organización:

• molecular / genético
• celular
• columna neocortical
• áreas cerebrales
• sistemas
• cerebro
• conducta

La investigación en biología molecular y genética relacionada con el cerebro es muy vigorosa. Múltiples revistas están dedicadas a este área. Tiene el respaldo de las compañías farmacéuticas que elaboran productos basados en estas investigaciones.
Los estudios sobre la neurona comenzaron con Santiago Ramón y Cajal y su brillante obra. La neurona es fácil de definir y acotar y hoy tenemos un conocimiento muy avanzado sobre ella.
Si penetramos la corteza cerebral de fuera hacia dentro con un electrodo, registraremos una columna de unos 2mm de alto y 0,5mm de diámetro que contiene unas 10.000 neuronas que responden a un mismo estímulo sensorial (por ejemplo un leve pinchazo en la piel). Es una columna neocortical. Tiene 6 capas y su estructura es la misma en todos los mamíferos. La mayor complejidad del cerebro humano consiste en que hay más columnas que en otros mamíferos, no en que estas sean diferentes.
Las columnas se relacionan con columnas adyacentes que procesan información semejante (por ejemplo información táctil). En conjunto estas agrupaciones forma áreas que Brodman definió hace 1 siglo. Las áreas a su vez se relacionan entre sí estableciendo sistemas como el sistema visual, auditivo… Estas relaciones pueden denominarse también redes neuronales.
El conjunto de áreas y sistemas forman el cerebro, entidad bien delimitada. Por último, pero no menos importante está la conducta, a menudo olvidada, pero la gran protagonista de nuestra vida y de la relación con nuestros semejantes.

Conectoma

El nivel sobre el que existe mayor desconocimiento es el de las redes o la conectividad. La inmensa red neuronal no es casual. Cada una de las sinapsis importa y nos hace ser como somos. Por ello Seung afirma: “soy mi conectoma”.
Los Institutos Nacionales de la Salud NIH americanos han otorgado subvenciones por un total de 40 millones de dólares durante cinco años para crear un mapa de las conexiones de cerebro humano en alta resolución. Se trata de “un ambicioso esfuerzo para mapear las vías neurales que subyacen al funcionamiento del cerebro humano”.
Una de las subvenciones se destina a escanear con resonancia magnética avanzada, fMRI en reposo y en actividad, DTI y magnetoencelografía a más de 1000 personas incluyendo estudios de gemelos, correlación con pruebas de comportamiento y perfiles genéticos. Los datos serán de libre acceso y permitirán un detallado análisis.
La otra subvención se dedicará a la creación de un escáner de resonancia magnética de última generación de 3T que mejorará la calidad y la resolución espacial de los datos de conectividad del cerebro.
La corteza cerebral contiene la llamada materia gris. Está compuesta por los cuerpos celulares de las neuronas. También contiene las sinapsis que se realizan en dichos cuerpos y en las dendritas. La salida de información se realiza a través de los axones. Estos salen de la corteza y se agrupan en fibras de millones de axones que conectan unas partes del cerebro con otras. Estas fibras axónicas constituyen la materia blanca.
Anatómicamente es posible seguir las fibras de axones y observar sus conexiones a simple vista. Pero a una resolución muy baja. Además las fibras se superponen unas a otras en tres dimensiones formando un enmarañado ovillo. La autoradiografía histológica permite teñir y seguir una fibra concreta. Siempre en análisis post mortem. En ambos casos el análisis es laborioso y limitado.
La resonancia magnética ha cambiado el panorama. Una técnica adicional llamada DTI (Diffusion tensor imaging)permite descubrir la materia blanca, las fibras axónicas. El agua difunde por igual en todas direcciones a menos que encuentre una barrera. Las paredes del axón recubiertas de vainas de mielina impiden la difusión del agua de modo que esta difunde en el sentido del axón. La resonancia magnética capta esta difusión del agua y revelael sentido de las fibras axónicas.
El conectoma no es un mapa completo y detallado de sinapsis. Estas están aún a un nivel más bajo. Es más bien un mapa a gran escala. Olaf Sporns bautizó con éxito en 2005 conectoma al mapa de conexiones cerebrales.
El cerebro no es estático y cuenta con 4 mecanismos de cambio en el conectoma, las 4 R’s.

• Reweighting significa cambio en la fuerza de las sinapsis
• Reconnection es la creación y eliminación de sinapsis
• Rewiring es la creación y eliminación de ramas en una neurona
• Regeneration es la creación y eliminación de neuronas

Con el uso de la resonancia magnética y otras técnicas, los científicos han descubierto una serie de núcleos cerebrales por los que pasan la mayoría de las señales nerviosas. Serían responsables de la red neuronal por defecto (cuando dejamos vagar la mente) o la mismísima conciencia. Estos núcleos centrales están organizados en algo parecido a un diagrama de las rutas aéreas mundiales.

 El conectoma tiene también sus críticas. Christof Koch, uno de los teóricos más influyentes en la neurociencia computacional y estudioso de la conciencia, soporta la idea de que la esencia de la mente descansa sobre las conexiones neuronales, pero advierte contra la simplificación:

… Seung, por ejemplo, llama al autismo y a la esquizofrenia “conectopatías”, enfermedades en las que que cableado del cerebro es anómalo. Pero hay muchas más cosas erróneas en el cerebro además de la conectividad. Fallos en la transmisión sináptica y en los procesos en las neuronas y en las células de glía que las soportan están implicados en la enfermedad mental. Las neuronas son dispositivos complejos con elaboradas estructuras de entrada que exhiben un procesamiento sofisticado, no linear y dependiente del tiempo.

Hay otro caso muy llamativo. Es el del gusano C. elegans. Es el sistema nervioso más simple que existe. Tiene 302 neuronas. Conocemos su conectividad, todas sus sinapsis, desde 1986. Sin embargo, no existe aún un modelo que explique el comportamiento de c. elegans. El conocimiento del conectoma es condición necesaria pero no suficiente para explicar la conducta.

Artículo publicado originalmente en ALT1040
FUENTE: http://sinapsis-aom.blogspot.com.ar/2012/09/conectoma-i-el-cerebro.html