Desentra?ar el cerebro

Imaginemos un buen plato de espaguetis. Conocer la trayectoria exacta de cada espagueti y todos sus puntos de contacto con los que tiene al lado parece un problema peliagudo. Sin embargo, es f¨¢cil de resolver con la tecnolog¨ªa actual: basta escanear la pasta en fin¨ªsimas lonchas y reconstruir una imagen en tres dimensiones. El problema cambia radicalmente de dimensi¨®n si esta bola de pasta tuviera miles de millones de espaguetis. Y as¨ª es como podemos imaginarnos la inmensa mara?a de prolongaciones de las c¨¦lulas del cerebro humano. Por eso, hasta ahora, tener un mapa detallado de los contactos o sinapsis entre las neuronas era un reto inabordable. Pero los cient¨ªficos creen que ha llegado el momento de ponerse manos a la obra y parecen dispuestos a conquistar una de las ¨²ltimas fronteras de la biomedicina: el conectoma humano.

A pesar de los avances de las ¨²ltimas d¨¦cadas, nuestro cerebro sigue siendo una 'caja negra'. Hay que visualizar los circuitosPodemos llegar a entender c¨®mo se alteran las conexiones en patolog¨ªas como la depresi¨®n, la epilepsia o el alzheimer

El Proyecto del Conectoma Humano es comparable en muchos aspectos al del genoma humano, que arranc¨® a finales de la d¨¦cada de 1980 y tard¨® en completarse casi 15 a?os. As¨ª como el objetivo de la iniciativa del genoma era descifrar la secuencia de 3.000 millones de letras o pares de bases del ADN humano, el del proyecto del conectoma es conocer con detalle toda la circuiter¨ªa del cerebro y sus sinapsis. El desaf¨ªo de los neurocient¨ªficos es, sin duda, de mayor complejidad que el de los genetistas, porque, entre otras cosas, el volumen de datos que deben manejar es muy superior. Pero hay algo que tienen en com¨²n: el ¨¦xito de ambas empresas es inimaginable sin la tecnolog¨ªa apropiada y la cooperaci¨®n internacional.

Con la tecnolog¨ªa actual, la secuenciaci¨®n de un genoma ya es algo muy sencillo. Parece mentira que hace s¨®lo unos a?os hicieran falta miles de t¨¦cnicos e investigadores para lograr el primer esbozo del genoma humano. Pronto se podr¨¢n secuenciar todos los genes de una persona en unas pocas semanas y por poco m¨¢s de 1.000 euros. Con el mapa del cerebro quiz¨¢ ocurra algo parecido en el futuro. El paso que han dado los neurocient¨ªficos es el de empezar a creer que el reto del conectoma es posible. Y lo han dado porque ahora disponen de microscopios adecuados y otras nuevas herramientas para acometer el proyecto.

La carrera del conectoma empez¨® oficialmente el pasado 14 de julio. Ese d¨ªa, el Departamento de Salud del Gobierno de EE?UU lanz¨® el Proyecto del Conectoma Humano, dotado con 21,3 millones de euros para los pr¨®ximos cinco a?os. El objetivo de este programa es utilizar las nuevas tecnolog¨ªas de neuroimagen para elaborar un mapa de los circuitos del cerebro humano sano. Los cient¨ªficos ya est¨¢n definiendo las l¨ªneas maestras de sus investigaciones. La evaluaci¨®n y aprobaci¨®n de los trabajos que se reciban en los pr¨®ximos meses se realizar¨¢ en 2010.

Pero al margen de este programa del Gobierno de EE UU, en los ¨²ltimos a?os han empezado a tomar cuerpo otros proyectos internacionales que apuntan en la misma direcci¨®n. El m¨¢s ambicioso es probablemente el denominado Blue Brain (Cerebro Azul), un trabajo definido en 2008 a escala mundial para estudiar la estructura neuroanat¨®mica y funcional del cerebro de los mam¨ªferos y poder hacer simulaciones en ordenador que ayuden a entender c¨®mo funciona tanto el cerebro sano como el enfermo. La idea del Blue Brain es que en este proyecto se vayan incorporando m¨¢s y m¨¢s centros de investigaci¨®n de todo el mundo para trabajar como un ¨²nico laboratorio multidisciplinar.

"Los neurocient¨ªficos hemos venido trabajando de forma muy descoordinada, pero nos hemos dado cuenta de que s¨®lo si unimos nuestras fuerzas y trabajamos juntos, y con objetivos concretos comunes, podremos empezar a entender el dise?o estructural y funcional del cerebro. Y adem¨¢s seremos m¨¢s efectivos a la hora de encontrar soluciones para los problemas de salud mental y las enfermedades neurodegenerativas", sostiene Javier de Felipe, neuroanatomista del Instituto Cajal del CSIC, en Madrid, y coordinador del proyecto espa?ol integrado en el Blue Brain, denominado Cajal Blue Brain.

Si algo tienen claro los investigadores es que el abordaje del cerebro es sumamente complicado. Por eso, a pesar de los avances de las ¨²ltimas d¨¦cadas, sigue siendo pr¨¢cticamente una caja negra. Para empezar a hacer hip¨®tesis bien fundamentadas sobre su funcionamiento normal y sobre las alteraciones que puede haber en los circuitos cuando aparece una enfermedad, los investigadores necesitan de forma imperiosa visualizar c¨®mo son los circuitos neuronales. La depresi¨®n, la epilepsia, el alzheimer y tantas otras enfermedades presentan alteraciones en los circuitos que son desconocidas. Y es necesario visualizar esos circuitos para avanzar.

Uno de los primeros pasos que hay que dar es conocer la estructura de una columna neuronal, considerada como la unidad estructural y funcional b¨¢sica del cerebro. Una columna neuronal viene a ser como un cilindro de un cuarto de mil¨ªmetro de di¨¢metro y una altura de entre 1,5 y 4,5 mil¨ªmetros, que es el espesor de la corteza cerebral. En el cerebro humano puede haber 50 millones de columnas, y en cada una de ellas, unas 60.000 neuronas. Pero todos estos datos son estimaciones. Hasta ahora nadie ha conseguido reconstruir una columna en su totalidad, saber exactamente cu¨¢ntas y qu¨¦ tipos de neuronas tiene, sus sinapsis, sus vasos sangu¨ªneos y dem¨¢s elementos.

Es aqu¨ª donde la neurociencia espa?ola entra en escena en este proyecto. La iniciativa Cajal Blue Brain, en la que participan siete equipos de diversos centros espa?oles, se va a encargar, entre otras cosas, de estudiar la organizaci¨®n anat¨®mica y funcional de una columna cortical de rata. El objetivo es conocer este bosque de unos 8.000 a 10.000 ¨¢rboles (neuronas) entrelazados por infinidad de lianas (conexiones sin¨¢pticas). "Esperamos poder lograrlo antes de cinco a?os. Ser¨ªamos los primeros en tener la estructura completa de una columna. Luego ser¨ªa m¨¢s f¨¢cil estudiar las columnas de otras especies y del ser humano", afirma De Felipe. Y explica que con esta informaci¨®n se podr¨ªa estudiar en el ordenador el funcionamiento de la corteza cerebral. Entre otras cosas, se podr¨ªa simular la acci¨®n de f¨¢rmacos y c¨®mo se alteran los circuitos en patolog¨ªas como la enfermedad de alzheimer y otras.

Si hasta ahora no se ha podido obtener una imagen tridimensional de una columna es por las limitaciones de los microscopios, tanto ¨®pticos como electr¨®nicos. El problema de los primeros es que, aunque permiten ver un campo amplio, su poder de resoluci¨®n es escaso y con ellos no se logran distinguir las sinapsis. En cambio, con los microscopios electr¨®nicos s¨ª que es posible ver las sinapsis, pero para ello hay que estudiar el cerebro en lonchas ultrafinas (de 40 a 60 nan¨®metros o mil¨¦simas de micra) que luego hay que recomponer para obtener una imagen global en tres dimensiones.

En los pr¨®ximos meses, la Universidad Polit¨¦cnica de Madrid contar¨¢ con un "revolucionario" microscopio, un Zeiss Crossbean, con el que acometer el estudio espacial de la columna neuronal. Esta herramienta de visualizaci¨®n, sostiene De Felipe, supera muchas limitaciones de los microscopios ¨®pticos y electr¨®nicos, y permitir¨¢ que cualquier t¨¦cnico no especialmente entrenado pueda realizar miles de secciones seriadas de forma autom¨¢tica y en s¨®lo unos pocos d¨ªas.

La coordinaci¨®n internacional es uno de los puntos fuertes del proyecto Blue Brain. Todos los equipos de los diferentes pa¨ªses implicados trabajar¨¢n de forma coordinada para que los datos puedan ser compartidos e intercambiables. El m¨¦todo de trabajo de esta iniciativa, promovida por la Escuela Polit¨¦cnica Federal de Lausana (Suiza) e IBM, es realizar lo que se denomina ingenier¨ªa inversa de todo el cerebro, es decir, analizar sus componentes para tratar de entender as¨ª c¨®mo funciona.

La visualizaci¨®n tridimensional del cerebro es s¨®lo parte del problema. "El problema verdaderamente grande es manejar toda esa informaci¨®n visual. Hace falta un enorme poder de computaci¨®n, y no es casualidad que sea IBM el patrocinador principal de Blue Brain", se?ala Alberto Ferr¨²s, neurocient¨ªfico del Instituto Cajal. Para la realizaci¨®n de la parte espa?ola del proyecto, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovaci¨®n con 25 millones de euros, se contar¨¢ con el superordenador Magerit, del Centro de Supercomputaci¨®n y Visualizaci¨®n de Madrid (Cesvima).

?Por qu¨¦ es tan importante tener una imagen real y completa de la estructura neuronal del cerebro? La respuesta es bien sencilla: los neurocient¨ªficos necesitan ver para imaginar y para plantear buenas hip¨®tesis. De nuevo el caso del genoma es bien ilustrativo. S¨®lo despu¨¦s del descubrimiento de la estructura de doble h¨¦lice del ADN los cient¨ªficos pudieron visualizar y entender c¨®mo se emparejaban las bases y descifrar el c¨®digo gen¨¦tico.

Pero la neurobiolog¨ªa es una ciencia m¨¢s reciente y con retos m¨¢s complejos. "Uno de los grandes objetivos de la neurociencia es descifrar el c¨®digo neuronal, clave de la conciencia y de c¨®mo los impulsos el¨¦ctricos se traducen en pensamientos, en recuerdos, en sensaciones", apunta Ferr¨²s. Lo que los cient¨ªficos buscan, en ¨²ltima instancia, es entender la mente y el cerebro humano, qu¨¦ es lo que nos hace humanos. Para ello hay que conocer antes su estructura y averiguar qu¨¦ tiene de exclusivo.