A diferencia de cualquier otro órgano, nuestros cerebros contienen redes extremadamente densas de cables membranosos que son utilizados por nuestros aproximadamente 86 mil millones de células nerviosas para comunicarse entre sí. Dado que cada célula nerviosa en la parte principal de los cerebros de mamíferos, el llamado cerebrocorteza, se comunica con cerca de otras 1,000 células nerviosas a través de sinapsis colocadas a lo largo de estos cables a largas distancias, uno espera un total de aproximadamente 5 millones de kilómetros de cables empaquetados en nuestros cráneos, más de 10 veces más que todas las carreteras de nuestro planeta, en cadade nuestros cerebros. Los cables que encontramos en nuestros cerebros y en otros mamíferos son tan delgados como de 50 a 100 nanómetros de diámetro, aproximadamente el milésimo del diámetro de nuestros cabellos. La convolución del cable resultante es de tal densidad y magnitud, que por más de100 años, los investigadores solo han podido mapear la conectividad entre una fracción minúscula de neuronas en un determinado pedazo de cerebro.
Solo el desarrollo de técnicas de microscopía electrónica más rápida "EM 3D" y de rutinas de análisis de imágenes más eficientes ha hecho posible el mapeo denso de las redes neuronales. El novedoso campo de la "conectómica" ha estado buscando el mapeo denso de circuitos cada vez más grandesen varias especies y regiones del cerebro.
En el trabajo publicado hoy en ciencia , un equipo alrededor del director de Max Planck, Moritz Helmstaedter, tomó una imagen y analizó un pedazo de tejido de la corteza cerebral de un ratón de 4 semanas de edad, obtenido mediante biopsia de la corteza somatosensorial, una parte de la corteza ocupada con la representación y el procesamiento deAquí, los investigadores aplicaron un procesamiento de imágenes optimizado basado en IA y una interacción humano-máquina eficiente para analizar todas las aproximadamente 400,000 sinapsis y aproximadamente 2.7 metros de cable neuronal en el volumen. Con esto, produjeron un conectoma entre aproximadamente 7,000 axones yaproximadamente 3,700 neuritas postsinápticas, produciendo un conectoma aproximadamente 26 veces más grande que el obtenido de la retina del ratón hace más de media década. Es importante destacar que esta reconstrucción fue al mismo tiempo más grande y aproximadamente 33 veces más eficiente que la aplicada alretina, estableciendo un nuevo punto de referencia para la reconstrucción conectiva densa en el cerebro de los mamíferos.
Impulsados por este avance metodológico en la conectómica, los investigadores analizaron el conectoma para los patrones de circuitos presentes. En particular, preguntaron qué fracción del circuito mostró propiedades que fueran consistentes con el crecimiento de las sinapsis, mecanismos que se sabe que contribuyen al circuitoformación y "aprendizaje". Alessandro Motta, primer autor del estudio e ingeniero eléctrico de formación, utilizó configuraciones particulares de pares de sinapsis para estudiar el grado en que estaban de acuerdo con los procesos de aprendizaje relacionados con la actividad "LTP" ".Debido a que algunos modelos de plasticidad sináptica hacen predicciones concretas sobre el aumento del peso sináptico al aprender, por ejemplo, a identificar un árbol o un gato, pudimos extraer la huella de tales procesos potenciales incluso de una instantánea estática del circuito ", explicaMotta. Dado que el ratón había tenido una vida normal de laboratorio hasta la biopsia cerebral a las 4 semanas de edad, los científicos sostienen que el grado en que los circuitosPuede ser mapeado por el aprendizaje en estados sensoriales "normales" utilizando su enfoque.
"Nos sorprendió la cantidad de información y precisión que se encuentra incluso en una pieza relativamente pequeña de corteza", dice Helmstaedter, y agrega: "Especialmente la extracción de la fracción de circuito probablemente aprendida fue una gran revelación para nosotros".
Los métodos informados pueden tener implicaciones sustanciales para la transferencia de conocimientos sobre la inteligencia biológica a lo que hoy se llama "inteligencia artificial". "El objetivo de mapear las redes neuronales en la corteza cerebral es una gran aventura científica, también porque esperamos sercapaz de extraer información sobre cómo el cerebro es una computadora tan eficiente, a diferencia de la IA de hoy ", afirma Helmstaedter. Y describe un campo de investigación con los principales actores, incluidos Google y el programa de investigación de las agencias de inteligencia en los EE. UU. IARPA:" La ambiciónaprender de las redes neuronales biológicas sobre el futuro de las redes neuronales artificiales es compartido por las principales iniciativas en todo el mundo. Estamos muy orgullosos de haber alcanzado el primer hito, un denso conectoma cortical local, utilizando exclusivamente fondos públicos de la Sociedad Max Planck ".
Después de casi una década de trabajo, los investigadores están entusiasmados con sus logros. "Poder llevar un trozo de corteza, procesarlo diligentemente y luego obtener todo el mapa de comunicación de esa hermosa red es en lo que hemos estado trabajando durante más dela última década ", describe Helmstaedter.
Los investigadores concluyen: "Creemos que nuestros métodos, aplicados sobre una amplia gama de tejidos corticales de diferentes áreas del cerebro, capas corticales, puntos de tiempo de desarrollo y especies, nos dirán cómo la evolución ha diseñado estas redes y qué impacto tiene la experienciaen dar forma a su estructura de grano fino "
"Además, la detección conectómica permitirá la descripción de los fenotipos de circuito de los trastornos psiquiátricos y relacionados, y nos dirá en qué medida algunos trastornos cerebrales importantes son, de hecho, conectopatías, enfermedades de circuito".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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