Imagina un mapa con todas las estrellas de la galaxia. El mapa es tan detallado que muestra cómo es cada estrella, en qué consiste, con qué otra estrella está conectada por las grandes leyes de la física del espacio. Aunque todavía no tenemos un mapa astronómico de los cielos, gracias a un estudio monumental publicado la semana pasada en Neuron, tenemos un mapa cerebral similar.
Si cada neurona fuera una galaxia, las sinapsis son pequeñas estructuras esparcidas en puntos a lo largo de neuronas serpentinas; estas son estrellas. Un equipo de científicos de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido ha construido el primer mapa detallado de cada sinapsis en el cerebro del ratón.
Mapa cerebral: la clave del rompecabezas del pensamiento
norte
Usando ratones genéticamente modificados, los científicos literalmente hicieron que cada sinapsis se iluminara bajo luz fluorescente en todo el cerebro, como estrellas en el cielo. Y, al igual que las estrellas se diferencian entre sí, los científicos han descubierto que las sinapsis son muy diversas, pero se observan patrones que pueden apoyar la memoria y el pensamiento.
Los mapas detallados mostraron la ley fundamental de la actividad cerebral. Usando el aprendizaje automático, el equipo ha categorizado las aproximadamente mil millones de sinapsis en todo el cerebro en 37 tipos de sinapsis. Aquí está el punto: cuando conjuntos de neuronas reciben información eléctrica, por ejemplo, al elegir entre diferentes soluciones a un problema, los subtipos únicos de sinapsis esparcidos entre diferentes neuronas brillan unánimemente con actividad.
En otras palabras, las sinapsis son de diferentes tipos. Y cada tipo puede controlar un pensamiento, una decisión o un recuerdo.
Video promocional:
Como era de esperar, los neurocientíficos han reaccionado de forma muy positiva al trabajo.
"Vaya", comentó Ben Sanders de la Universidad de Minnesota.
Es "un artículo asombroso que cataloga la diversidad y distribución de subtipos de sinapsis en el cerebro del ratón", escribe el neurogenetista Kevin Mitchell. Esto "subraya el hecho de que las sinapsis son elementos informáticos clave del sistema nervioso".
Conectar el conectoma
El interés de los científicos en crear un "sinaptoma", el primer catálogo completo de sinapsis en el cerebro del ratón, surgió de un proyecto mucho más grande: el conectoma.
En resumen, un conectoma son todas las conexiones neuronales dentro de ti. Como dice el Dr. Sebastian Sjung, el conectoma es la base biológica de quién eres: tus recuerdos, tu personalidad, tus pensamientos y tu razonamiento. Capture un conectoma y algún día los científicos podrán reconstruirlo emulando un cerebro completo.
Y, sin embargo, el conectoma solo describe cómo las neuronas se comunican funcionalmente entre sí. En qué parte del cerebro está físicamente codificado.
Aquí es donde entran en juego las sinapsis. Los neurocientíficos saben desde hace mucho tiempo que las sinapsis transmiten información entre neuronas utilizando productos químicos y electricidad. También ha habido indicios de que las sinapsis difieren mucho según las proteínas que contienen, pero esta distinción generalmente se ha ignorado. Hasta hace poco, la mayoría de los científicos creían que los cálculos reales se realizaban en el cuerpo neural, la parte bulbosa de la neurona de la que emergen las ramas.
Hasta ahora, no había forma de observar la morfología y función de las sinapsis en todo el cerebro, explican los autores. Por lo general, nos hemos centrado en mapear estos importantes puntos de conexión en áreas pequeñas.
Y si es así, los futuros emuladores de cerebros finalmente encontrarán un punto de apoyo.
Mapa de Synaptome
Para construir un sinaptoma de ratón, los autores idearon un plan llamado SYNMAP. Comenzaron con ratones modificados genéticamente, cuyas sinapsis brillaban con diferentes colores. Cada sinapsis está repleta de proteínas diferentes, entre las que PSD-95 y SAP102 son los caballeros más famosos. No se deje intimidar por los nombres. Los autores les agregaron proteínas brillantes, que actuaron como linternas, iluminando cada sinapsis en el cerebro.
En general, los científicos primero alteraron la biología del ratón haciendo que sus sinapsis brillaran bajo luz fluorescente.
Luego, cortaron minuciosamente el cerebro en pedazos, usaron un microscopio para tomar imágenes de las sinapsis en diferentes regiones del cerebro y juntaron las imágenes.
norte
La imagen sináptica le recuerda al ojo inexperto un mapa estelar muy compacto, como el que el Hubble filmó recientemente. La categorización de cada sinapsis va más allá de la capacidad (y el tiempo) de cualquier persona, por lo que los científicos han utilizado nuevos métodos de clasificación mediante el aprendizaje automático y han desarrollado un algoritmo que analiza estos datos (más de 10 terabytes) automáticamente, sin necesidad de supervisión.
Conectoma físico
Al principio, los científicos quedaron impresionados por los "esquemas expresivos" de las brillantes sinapsis. Una proteína etiquetada, PSD-95, parecía estar en las partes más distantes del cerebro, donde tienen lugar las funciones cognitivas superiores. Aunque las regiones se superponen, otra proteína brillante ha preferido más de las regiones internas del cerebro.
Tras una inspección más cercana, resultó que las dos proteínas luminosas representan diferentes conjuntos de sinapsis, explicaron los autores. Cada área del cerebro tiene una "firma sináptica" característica. Al igual que las huellas dactilares, que difieren en forma y tamaño, las diferentes regiones del cerebro parecen contener sinapsis que difieren en la composición, el tamaño y el número de proteínas.
Mediante un algoritmo de aprendizaje automático especialmente diseñado, los científicos clasificaron las sinapsis en 37 subtipos. Sorprendentemente, las regiones del cerebro asociadas con un mayor razonamiento y habilidades de pensamiento también contenían la población más diversa de sinapsis, mientras que las "regiones del cerebro reptil" eran más homogéneas en contenido sináptico.
Para ver si la diversidad de sinapsis ayuda en el procesamiento de la información, los científicos utilizaron simulaciones por computadora para mostrar cómo las sinapsis responden a los circuitos eléctricos normales en el hipocampo, un área del cerebro importante para el aprendizaje y la memoria. El hipocampo es una de las áreas que muestra una sorprendente diversidad en los subtipos de sinapsis.
Es importante destacar que cada tipo de procesamiento de información eléctrica se transmite a un mapa de sinaptoma único: cambie la entrada, el sinaptoma cambiará.
Esto sugiere que el cerebro puede procesar información eléctrica múltiple utilizando un área del cerebro porque están involucradas diferentes sinaptosis.
Los científicos encontraron resultados similares cuando registraron circuitos eléctricos de los cerebros de ratones que intentaban elegir entre tres opciones de recompensa. Se dispararon varios sinaptomas cuando la elección era correcta o incorrecta. Como un mapa del pensamiento interno, los sinaptomas pintaban una imagen vívida de lo que pensaba el ratón al tomar una decisión.
Cada comportamiento activa un sinaptoma separado. Cada sinaptoma es un molde único del proceso de pensamiento.
Reprogramando el sinaptoma
Como el código de computadora, el sinaptoma parece ser la base de un resultado computacional: una decisión o un pensamiento. ¿Qué pasa si cambio este código?
Las enfermedades psiquiátricas a menudo tienen causas genéticas que afectan las proteínas en la sinapsis. Usando ratones que mostraban síntomas similares a la esquizofrenia o el autismo, los científicos mapearon sus sinapsis y encontraron cambios dramáticos en cómo los diferentes subtipos de sinapsis en el cerebro están estructurados y conectados.
Por ejemplo, en respuesta a los circuitos eléctricos normales del cerebro, algunos mapas sinápticos eran débiles, mientras que otros se volvían anormalmente fuertes en ratones mutantes. Las mutaciones pueden cambiar el sinaptoma y potencialmente conducir a trastornos psiquiátricos. Es decir, algunas enfermedades psiquiátricas "reprograman" el sinaptoma. Los mapas sinápticos más fuertes o simplemente nuevos pueden ser la razón por la que los pacientes esquizofrénicos experimentan delirios y alucinaciones.
¿Entonces eres tu sinaptoma?
Tal vez. La esencia de usted (recuerdos, pensamientos) parece estar impresa en cómo se activan las diferentes sinapsis en respuesta a la entrada. Como una huella dactilar, el sinaptomo se puede leer para descifrar lo que estás pensando. Sin embargo, esta investigación es solo el comienzo. Los neurocientíficos aún tienen que analizar las complejas conexiones entre las sinapsis y usted.
Ilya Khel
