Seis capas de neuronas excitadoras codificadas por colores según su profundidad. Crédito: Google Research y Lichtman Lab

Un esfuerzo de colaboración entre Harvard y Google ha dado lugar a un gran avance en la ciencia del cerebro, al producir un extenso mapa en 3D de un pequeño segmento del cerebro humano, que revela interacciones neuronales complejas y sienta las bases para mapear todo el cerebro de un ratón.

Un milímetro cúbico de tejido cerebral puede no parecer mucho. Pero considerando que este pequeño cuadrado contiene 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos y 150 millones de sinapsis, todo lo cual suma 1.400 terabytes de datos, los investigadores de Harvard y Google acaban de lograr algo enorme.

Un equipo de Harvard dirigido por Jeff Lichtman, profesor Jeremy R. Knowles de biología molecular y celular y recién nombrado decano de ciencia, ha co-creado con investigadores de Google la reconstrucción 3D con resolución sináptica más grande de una parte del cerebro humano hasta la fecha. , que muestra con gran detalle cada célula y su red de conexiones neuronales en una zona de la corteza temporal humana de aproximadamente la mitad del tamaño de un grano de arroz.

Avances tecnológicos en neurociencia

La impresionante hazaña, publicada en la revista Ciencia, es el último de una colaboración de casi 10 años con científicos de Google Research, que combinan imágenes de microscopía electrónica de Lichtman con algoritmos de inteligencia artificial para codificar por colores y reconstruir el cableado extremadamente complejo de los cerebros de los mamíferos. Los tres coautores del artículo son el ex investigador postdoctoral de Harvard Alexander Shapson-Coe; Michał Januszewski de Google Research y el investigador postdoctoral de Harvard Daniel Berger.

El objetivo final de la colaboración, apoyada por Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Saludes crear un mapa de alta resolución de todo el cableado neuronal del cerebro de un ratón, lo que implicaría aproximadamente 1.000 veces la cantidad de datos que acaban de producir a partir del fragmento de 1 milímetro cúbico de corteza humana.

Información del último mapa cerebral

«La palabra 'fragmento' es irónica», dijo Lichtman. “Un terabyte es, para la mayoría de la gente, gigantesco, pero un fragmento de un cerebro humano –sólo una diminuta porción de cerebro humano– sigue siendo miles de terabytes”.

El último mapa científico contiene detalles nunca antes vistos de la estructura del cerebro, incluido un raro pero poderoso conjunto de axones conectados por hasta 50 sinapsis. El equipo también notó rarezas en el tejido, como una pequeña cantidad de axones que formaban extensas espirales. Debido a que la muestra fue tomada de un paciente con epilepsia, no están seguros de si estas formaciones inusuales son patológicas o simplemente raras.

El campo de la conectómica

El campo de Lichtman es la «conectómica», que, de manera análoga a la genómica, busca crear catálogos completos de la estructura del cerebro, hasta células y conexiones individuales. Estos mapas completos iluminarían el camino hacia nuevos conocimientos sobre la función y las enfermedades cerebrales, sobre los cuales los científicos todavía saben muy poco.

Los algoritmos de inteligencia artificial de última generación de Google permiten la reconstrucción y el mapeo del tejido cerebral en tres dimensiones. El equipo también desarrolló un conjunto de herramientas disponibles públicamente que los investigadores pueden utilizar para examinar y anotar el conectoma.

Direcciones futuras

«Dada la enorme inversión realizada en este proyecto, era importante presentar los resultados de manera que cualquiera pueda beneficiarse de ellos», dijo Viren Jain, colaborador de Google Research.

A continuación, el equipo abordará la formación del hipocampo del ratón, que es importante para la neurociencia por su papel en la memoria y las enfermedades neurológicas.

Referencia: “Un fragmento de petavoxel de la corteza cerebral humana reconstruido en nanoescala resolución” de Alexander Shapson-Coe, Michał Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuohong Wang, Jeremy Maitin-Shepard, Neha Karlupia, Sven Dorkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Leavitt, Dongil Lee, Jakob Troidl, Forrest Collman, Luke Bailey, Angerica Fitzmaurice, Rohin Kar, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Carena, David Aley, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg, Viren Jain y Jeff W. Lichtman, 10 de mayo de 2024, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adk4858