Del genoma al conectoma: ¿Soy yo mi ‘CONECTOMA’?.

Sebastian Seung, profesor de ‘Computational Neuroscience’, MIT, y autor del libro Connectome: How the Brain’s Wiring Makes Us Who We Are, junto con sus colaboradores Winfried Denk, del Max Planck Institute, y Jeff Lichtman de la Universidad de Harvard, trabajan en un nuevo campo de la Neurociencia, la ‘conectómica’:

La conectómica es una nueva técnica de imagen neuronal y técnicas histológicas en orden a obtener unos mapas más precisos y de mejor resolución de las conexiones neuronales del cerebro”

“rama de la Neurociencia, correspondiente al proceso de mapear todas las conexiones neuronales de un sistema nervioso completo”

La ‘conectómica’ trata de analizar e identificar la total y compleja conectividad neuronal del cerebro (el ‘conectoma’), mediante la invención de tecnologías que les permitan crear “una nueva y poderosa forma de visualizar el funcionamiento de la mente”.

Según Sebastian Seung, somos algo mas que nuestro genoma

contamos con nuestro genoma completo al nacer, pero cosas como recuerdos no se “almacenan” en el genoma, sino que se adquieren a través de la vida y se acumulan en el cerebro”,

lo que le lleva a enunciar la siguiente hipótesis:

¿Soy algo mas que mis genes?, ¿qué soy?…yo soy mi  conectoma” ,

(-Sebastian Seung: I am my connectome ,video TEDGlobal 2010, Filmed Jul 2010; Posted Sep 2010-)

así pues, según Sebastian Seung… ‘mas que el genoma lo que determina quienes somos es ‘nuestro conectome’ , pues… ‘en  las conexiones entre las neuronas, es donde se almacenan los recuerdos y las experiencias’ (My connectome, myself, MIT News Office (Febrero 2012).

¿Qué es un conectoma?, ¿cómo funciona el cerebro?.

“El conectoma es el conjunto de interconexiones que establecen las neuronas. La definición del conectoma humano permitirá una descripción estructural del cerebro y una gran profundización en sus mecanismos funcionales”, Glosario de Medicina Molecular).

Aceptando el principio, por otra parte obvio, de que  el funcionamiento de una ‘red’   depende de manera crítica del patrón de las interconexiones entre sus elementos, y considerando al cerebro como un ejemplo de sistema o red compleja de neuronas, hiperconectadas, de la que en la actualidad no se dispone el correspondiente mapa comprehensivo de conectividades, parece coherente y oportuno el planteamiento de Sebastian Seung, de  tratar de explicitar las conexiones interneuronales del cerebro (conectoma), como soporte y base  de la actividad mental y del comportamiento,lo que  permitiría grandes avances en neurociencias y neuropsicología.

¿Cómo encontrar un conectoma?.

Antecedentes en cuanto a explicitación de ‘conectomas’, hasta ahora solo se conoce el conectoma de un gusano diminuto, el ‘C.elegans’, cuyo sencillo sistema nervioso  consta solo de unas 300 neuronas. Durante las décadas de los 70′ y los 80′, un equipo de científicos (Sydney Brenner, H. Robert Horvitz and John Sulston), a los que en el 2002 se les concedería el premio Nobel, consiguieron mostrar el mapa de las 7000 conexiones interneuronales, o conectoma, del citado gusano.

Nuestro conectoma es mucho mas complejo, puesto que nuestro cerebro tiene mas de 100.000 millones de neuronas, con un altísimo nivel de hiperconectividad entre las mismas. Existe un diagrama para nuestro cerebro, pero soporta muchísima información relativa a sus conexiones.

¿Qué soporta dicha información?.

Aunque no se sabe con seguridad, desde siempre los neurocientíficos han especulado de que quizás los ‘recuerdos’ están almacenados en las conexiones interneuronales, y tal vez otros aspectos de nuestra identidad personal como nuestra propia personalidad, nuestra inteligencia, también estén codificados en dichas conexiones.

Hipótesis: ‘Yo soy mi conectoma’.

La hipótesis que Seung plantea, no sabemos si es correcta, pues no disponemos de tecnologías lo suficientemente potentes como para demostrarlo (recordar que el conectoma del gusano ‘ C. elegans’, se obtuvo después de 12 años de tedioso trabajo). Para encontrar conectomas de cerebros como los nuestros, necesitamos tecnologías mas sofisticadas, capaces de automatizar, y acelerar por consiguiente, el proceso de búsqueda de conectomas. En la actualidad, alguna de ellas existe, pero en fase de desarrollo.

¿Cómo probar entonces la hipótesis de Seung?, ¿qué debemos hacer para encontrar conectomas?.

Nuestro conectoma está formado por el mapa completo de interconexiones entre nuestras neuronas. ¿En qué consiste una neurona?, veamos la imagen de una neurona, con su núcleo  y  largas ramificaciones (dendritas – receptores y axones-transmisores).

Pero ésto es una sola neurona. Para encontrar conectomas tenemos que ver ‘todas’  las neuronas al mismo tiempo, lo que dado el número de neuronas existentes nos aconseja simplificar el problema y tratar de encontrar ‘conectomas parciales’, correspondientes a diminutos cubos de tejido cerebral (imagen tridimensional en 3D), los cuales los descompondremos a su vez  en una superposicion de imágenes, correspondientes a cada una de las  finas capas u ‘hojas’ que en conjunto constituyen el ‘cubo’ de tejido cerebral seleccionado.

Vemos las neuronas, todavía no las ramas. Empezamos por arriba y coloreamos de rojo la sección transversal de una rama, haciendo lo mismo con la rebanada siguiente, y así así rebanada a rebanada. Si continuamos con toda la pila podemos reconstruir la figura 3D de un pequeño fragmento de la rama de una neurona y podemos hacer lo mismo con otra neurona, pero cambiándole el color, p.e. de verde., pudiendo ver que la neurona roja toca a la neurona verde en diferentes partes, mediante lo que se denomina SINAPSIS .

Si nos acercamos a una sinapsis, y mantenemos la vista en el interior de la neurona verde , deberíamos ver unos circulitos llamados VESÍCULAS , que contienen una molécula conocida como NEUROTRANSMISOR ,y así cuando la neurona verde quiere  enviar un mensaje a la neurona roja envía un ‘neurotransmisor’ (imagen from  http://mscfabiancuesta.blogspot.com/2011/02/wetware.html).

Ya sabemos pues cómo encontrar una sinapsis.

¿Cómo encontrar un CONECTOMA?. Tomamos la pila 3D anterior, y la procesamos como si fuera un libro para colorear en 3D. Pintamos cada neurona con un color distinto y luego miramos en todas las imágenes, encontramos las sinapsis y anotamos los colores de las dos neuronas implicadas en cada sinapsis. Si pudiéramos hacer ésto con todas las imágenes encontraríamos el conectoma.

El cerebro es como un plato de espaguetis, delgadísimos y con ramificaciones. Así como un espa gueti toca a muchos otros en el plato, una neurona toca a muchas otras con sus ramas enredadas, haciendo sinapsis en cada punto de contacto.

¿Cuál es el tamaño real de este cubo de tejido cerebral?

La Complejidad del cerebro (que a simple vista ni se percibe ni imagina),  nos lleva a preguntarnos … ¿cómo  podemos atrevernos a pensar que algún día conoceremos o entenderemos el cerebro?. Según S. Seung, “existen nuevas esperanzas de conseguirlo. Algún día una flota de microscopios capturará cada neurona y cada sinapsis en una macro base de datos de imágenes . Y algún día supercomputadoras con Inteligencia Artificial (IA)  actualizarán las imágenes sin supervisión humana, para sintetizarlas en un conectoma”. Hallar un ‘conectoma humano completo’, es uno de los mas grandes desafios tecnológicos de todos los tiempos. El éxito demandará el trabajo de generaciones. En la actualidad, Sebastian Seung y sus colaboradores, buscan algo mas modesto… ‘encontrar conectomas parciales’, como mas tarde veremos, pero que será suficiente como primeras pruebas de la hipótesis de ‘yo soy mi conectoma’.

¿Cambia con el tiempo cada conectoma?, ¿por qué?, ¿quién provoca esos cambios?.

A medida que crecemos y envejecemos, nuestra identidad cambia lentamente. Del mismo modo, cada conectoma cambia con el tiempo. ¿Qué tipos de cambios ocurren?. Las neuronas, tal como los árboles, pueden pueden tener nuevas ramas y perder otras. Se pueden crear nuevas sinapsis  y eliminar otras ya existentes, pueden aumentar y disminuir de tamaño.  ¿Qué provoca esos cambios?. Hasta cierto punto está programado por los genes, pero no lo es todo. Existen señales eléctricas que viajan por las ramas de las neuronas  (‘axones’), y señales químicas que saltan de rama en rama (‘dendritas’). Estos tipos de señales, constituyen la actividad neuronal.

Existe evidencia de que la actividad neuronal codifica el pensamiento, los sentimientos, y las percepciones, en definitiva, nuestras experiencias mentales. Hay también mucha evidencia de que la actividad neuronal, puede hacer cambiar nuestras conexiones. De ambos hechos, podemos concluir quenuestras experiencias pueden cambiar nuestro conectoma’. Por eso, cada conectoma es único, incluso el de gemelos genéticamente idénticos. El conectoa es, pues, herencia y ‘crianza’, pudiendo ser cierto que ‘ el mero acto de pensar, puede cambiar nuestro connectoma’.


Metáfora del ‘arroyo’ (cauce y corriente).

Metáfora de la relación entre la actividad neuronal y la conectividad. La actividad neuronal cambia constantemente. Es como el agua delarroyo, nunca se queda quieta. Las conexiones de la red neuronal del cerebr, determinan las vías por las que fluyre la actividad neuronal. Entonces, el conectoma es como el lecho del arroyo. Además, el lecho del arroyo guía el flujo del agua, pero con el tiempo el agua también da forma al lecho del arroyo (la actividad neuronal, puede cambiar el conectoma).  La actividad neuronal es el agua, el conectoma es el lecho del torrente.

Memoria:  ¿cómo leer recuerdos a partir de los conectomas?.

Se contemplan los recuerdos como cadenas de conexiones sinápticas en el cerebro, de tal modo que si se activan las primeras neuronas de la cadena, éstas envían a través de sus sinapsis mensajes a otras neuronas que se activan, y  así así sucesivamente, siguiendo un efecto dominó (secuencia de activación neuronal).  De este modo, una manera de tratar de probar la hipótesis de Seung es buscar esas cadenas de conexiones sinápticas, que estarán cifradas, dentro de sus conectomas. Si podemos hacerlo, la secuencia de neuronas que recuperemos al descifrar la cadena, será una predicción del patrón de actividad neuronal, que se reproducirá en el cerebro  durante la recuperación de la memoria.

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3 comments

  1. Es realmente interesante. Parece que cada semana que empezamos, su blog nos descubre otra genialidad. Entiendo la modestia en este tipo de investigaciones, pero realmente no se puede recrear ya un complejo de sinapsis más elaborado? Lo pregunto desde la ignorancia real sobre la dificultad; pero los centros de supercomputación que ya existen, con su gran potencia de cálculo, ¿no darían para una recreación más aproximada del conectoma humano? Repito que formulo mi pregunta desde la ignorancia sobre la capacidad real de los computadores actuales y de las dificultades para una posible recreación. Quizá haya que esperar, como se dice, a un mayor desarrollo de la inteligencia artificial desasistida… En fin, gracias por haber sacado el tema.

  2. erubio dice:

    Muchas gracias Juán jesús por tus comentarios, y también por tu notable participación en \’Sociedad y Tecnología\’. Respecto a la posibilidad de \’recreación del conectoma humano\’, y advirtiendo de entrada que soy simplemente un modestísimo interesado en la Neurociencia, quizás nos falta perspectiva de la complejidad que significa representar la conectividad neuronal de mas de 100.000 millones de neuronas activas del cerebro humano. Y no solamente eso, sino que a la postre… \’el sistema nervioso es quien controla y responde a las funciones del cuerpo, dirigiendo a su vez nuestra conducta. Así, el sistema nervioso influye, y es influido, por el resto de sistemas del cuerpo (por ejemplo, cardiovascular, endocrino, el sistema inmunológico,…), de tal modo que para su correcto funcionamiento se requiere la acción coordinada de neuronas de muchas regiones del cerebro. Sebastian Seung que es profesor de neurociencia computacional en el MIT, comenta que a veces se asombra de su pretensión de explicitar el conectomahumano. ¿Qué voy a decir yo?. Gracias de nuevo por tu actividad y aportaciones.

  3. Sí, me imagino que será demasiado pretensioso estudiar en sí el conectoma. Me refería sólo a la posibilidad real de realizar un mapa de las conexiones neuronales o sinápsis. No tanto en recrear su funcionamiento, sino en describir un mapa como se hizo con el código genético q no se ha descifrado sino en poquísimos pares. Gracias a ti por las aportaciones.

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