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Mapeo cerebral

El mapeo cerebral es un conjunto de técnicas de neurociencia basadas en el mapeo de cantidades o propiedades (biológicas) sobre representaciones espaciales del cerebro (humano o...

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El mapeo cerebral es un conjunto de técnicas de neurociencia basadas en el mapeo de cantidades o propiedades (biológicas) sobre representaciones espaciales del cerebro (humano o no humano), lo que da como resultado mapas .

Según la definición establecida en 2013 por la Sociedad para el Mapeo y la Terapéutica Cerebral (SBMT), el mapeo cerebral se define específicamente, en resumen, como el estudio de la anatomía y la función del cerebro y la médula espinal mediante el uso de imágenes , inmunohistoquímica , biología molecular y optogenética , células madre y biología celular , ingeniería , neurofisiología y nanotecnología .

En 2024, un equipo de 287 investigadores completó un mapeo cerebral completo de un animal adulto (una Drosophila melanogaster , o mosca de la fruta) y publicó sus resultados en Nature . [ 1 ] [ 2 ]

Descripción general

Toda neuroimagen se considera parte del mapeo cerebral. El mapeo cerebral puede concebirse como una forma superior de neuroimagen, que produce imágenes cerebrales complementadas con el resultado del procesamiento o análisis de datos adicionales (de imagen o no), como mapas que proyectan (medidas de) comportamiento sobre regiones cerebrales (véase fMRI ). Un ejemplo de este tipo de mapa, llamado conectograma , representa las regiones corticales alrededor de un círculo, organizadas por lóbulos. Los círculos concéntricos dentro del anillo representan diversas mediciones neurológicas comunes, como el grosor o la curvatura cortical. En el centro de los círculos, las líneas que representan las fibras de la sustancia blanca ilustran las conexiones entre las regiones corticales, ponderadas por la anisotropía fraccional y la fuerza de la conexión. [ 3 ] A resoluciones más altas, los mapas cerebrales se denominan conectomas . Estos mapas incorporan conexiones neuronales individuales en el cerebro y a menudo se presentan como diagramas de cableado . [ 4 ]

Las técnicas de mapeo cerebral están en constante evolución y dependen del desarrollo y perfeccionamiento de las técnicas de adquisición, representación, análisis, visualización e interpretación de imágenes. [ 5 ] La neuroimagen funcional y estructural es fundamental para el aspecto de mapeo del cerebro.

Algunos científicos han criticado las afirmaciones basadas en imágenes cerebrales publicadas en revistas científicas y en la prensa popular, como el descubrimiento de "la parte del cerebro responsable" de cosas como el amor, las habilidades musicales o una memoria específica. Muchas técnicas de mapeo tienen una resolución relativamente baja, incluyendo cientos de miles de neuronas en un solo vóxel . Muchas funciones también involucran múltiples partes del cerebro, lo que significa que este tipo de afirmación probablemente no sea verificable con el equipo utilizado y, en general, se basa en una suposición incorrecta sobre cómo se dividen las funciones cerebrales. Es posible que la mayoría de las funciones cerebrales solo se describan correctamente después de ser medidas con mediciones mucho más precisas que no se centren en grandes regiones, sino en un gran número de pequeños circuitos cerebrales individuales . Muchos de estos estudios también presentan problemas técnicos, como un tamaño de muestra pequeño o una calibración deficiente del equipo, lo que impide su reproducción; consideraciones que a veces se ignoran para producir un artículo sensacionalista o un titular de prensa llamativo. En algunos casos, las técnicas de mapeo cerebral se utilizan con fines comerciales, para la detección de mentiras o para el diagnóstico médico de maneras que no han sido validadas científicamente. [ 6 ]

Historia

A finales de la década de 1980 en Estados Unidos, el Instituto de Medicina de la Academia Nacional de Ciencias recibió el encargo de establecer un panel para investigar el valor de integrar información neurocientífica a través de diversas técnicas. [ 7 ]

De particular interés es el uso de imágenes de resonancia magnética estructural y funcional (fMRI), resonancia magnética de difusión (dMRI), magnetoencefalografía (MEG), electroencefalografía ( EEG ), tomografía por emisión de positrones (PET), espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) y otras técnicas de escaneo no invasivas para mapear la anatomía , fisiología , perfusión , función y fenotipos del cerebro humano. Tanto los cerebros sanos como los enfermos pueden mapearse para estudiar la memoria , el aprendizaje , el envejecimiento y los efectos de los fármacos en diversas poblaciones, como personas con esquizofrenia , autismo y depresión clínica . Esto llevó al establecimiento del Proyecto Cerebro Humano . [ 8 ] También puede ser crucial para comprender las lesiones cerebrales traumáticas (como en el caso de Phineas Gage ) [ 9 ] y mejorar el tratamiento de las lesiones cerebrales. [ 10 ] [ 11 ]

Después de una serie de reuniones, evolucionó el Consorcio Internacional para el Mapeo Cerebral (ICBM). [ 12 ] El objetivo final es desarrollar atlas cerebrales computacionales flexibles .

Logros

El Museo Eyewire es un catálogo digital interactivo que visualiza datos de células de la retina del ratón. [ 13 ]

El sitio web interactivo de ciencia ciudadana Eyewire mapea las células de la retina de ratones y se lanzó en 2012. En 2021, investigadores de Google publicaron el mapa 3D más completo del cerebro humano . Muestra neuronas y sus conexiones junto con vasos sanguíneos y otros componentes de una millonésima parte de un cerebro. Para el mapa, el fragmento de 1 mm³ se cortó en aproximadamente 5300 piezas de unos 30 nanómetros  de espesor , que luego se escanearon con un microscopio electrónico . El mapa interactivo requirió 1,4 petabytes de espacio de almacenamiento. [ 14 ] [ 15 ] Aproximadamente dos meses después, los científicos informaron que habían creado el primer mapa 3D completo con resolución a nivel de neurona del cerebro de un mono, que escanearon mediante un nuevo método en 100 horas. Solo pusieron a disposición del público una fracción del mapa 3D, ya que el mapa completo ocupa más de 1 petabyte de espacio de almacenamiento incluso comprimido. [ 16 ] [ 17 ]

En octubre de 2021, la Red de Censo Celular de la Iniciativa BRAIN concluyó la primera fase de un proyecto a largo plazo para generar un atlas de todo el cerebro del ratón (mamífero) con 17 estudios, incluyendo un atlas y censo de tipos celulares en la corteza motora primaria . [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]

En 2024, FlyWire, un equipo de 287 investigadores de 76 instituciones, completó un mapeo cerebral, o conectoma, de un animal adulto (una Drosophila melanogaster , o mosca de la fruta) y publicó sus resultados en Nature . [ 1 ] Antes de esto, el único animal adulto cuyo cerebro había sido reconstruido por completo era el nematodo Caenorhabditis elegans , pero el mapa cerebral de la mosca de la fruta es el primer "mapa completo de cualquier cerebro complejo", según Murthy, uno de los investigadores involucrados. [ 2 ] Los datos primarios del mapeo se recopilaron mediante microscopía electrónica , con la ayuda de inteligencia artificial y científicos ciudadanos , quienes corrigieron los errores que cometió la inteligencia artificial. El modelo resultante tenía más de 140 000 neuronas con más de 50 millones de sinapsis. [ 21 ] A partir del modelo, la investigación espera identificar cómo el cerebro crea nuevas conexiones para funciones como la visión, creando equivalentes de gemelos digitales para rastrear cómo los segmentos del mapa de conexión neuronal interactúan con señales externas, incluido el sistema nervioso. [ 22 ]

Desarrollo cerebral

En 2021, se publicó el primer conectoma que muestra cómo cambia el cerebro de un animal a lo largo de su vida. Los científicos mapearon y compararon los cerebros completos de ocho gusanos isogénicos C. elegans , cada uno en una etapa diferente de desarrollo. [ 23 ] [ 24 ] Más tarde ese mismo año, los científicos combinaron la microscopía electrónica y la imagen de arco cerebral para mostrar por primera vez el desarrollo de un circuito neuronal de mamíferos. Publicaron los diagramas de cableado completos entre el SNC y los músculos de diez ratones individuales. [ 25 ]

Visión

En agosto de 2021, científicos del programa MICrONS , lanzado en 2016, [ 26 ] publicaron un conjunto de datos de conectómica funcional que "contiene imágenes de calcio de aproximadamente 75 000 neuronas de la corteza visual primaria (VISp) y tres áreas visuales superiores (VISrl, VISal y VISlm), que se registraron mientras un ratón veía películas naturales y estímulos paramétricos". [ 27 ] [ 28 ] Con base en estos datos, también publicaron "visualizaciones interactivas de datos anatómicos y funcionales que abarcan las 6 capas de la corteza visual primaria del ratón y 3 áreas visuales superiores (LM, AL, RL) dentro de un volumen de un milímetro cúbico" – el MICrONS Explorer . [ 29 ]

Regeneración cerebral

En 2022, un primer atlas celular espaciotemporal del desarrollo y regeneración del cerebro del ajolote , el Atlas interactivo de interpretación del telencéfalo regenerativo del ajolote mediante el atlas transcriptómico espaciotemporal , reveló información clave sobre la regeneración del cerebro del ajolote . [ 30 ] [ 31 ]

Herramientas de atlas actuales

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Hawking, Tom (2024-10-02). "Científicos mapearon por primera vez cada neurona del cerebro de un animal adulto" . Popular Science . Recuperado el 2024-10-03 .
  2. 1 2 Zimmer, Carl (2 de octubre de 2024). "Después de una década, los científicos revelan el cerebro de la mosca con asombroso detalle" . The New York Times . Archivado del original el 2 de octubre de 2024. Recuperado el 4 de octubre de 2024 .
  3. ↑ Irimia, Andrei; Chambers, Micah C.; Torgerson, Carinna M.; Horn, John D. (2012). "Representación circular de redes corticales humanas para visualización conectómica a nivel individual y poblacional" . NeuroImage . 60 ( 2): 1340– 51. doi : 10.1016/j.neuroimage.2012.01.107 . PMC 3594415. PMID 22305988 .  
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  9. ↑ Van Horn, John Darrell; Irimia, Andrei; Torgerson, Carinna M.; Chambers, Micah C.; Kikinis, Ron; Toga, Arthur W. (2012). Sporns, Olaf (ed.). "Mapping Connectivity Damage in the Case of Phineas Gage" . PLOS ONE . 7 (5) e37454. Bibcode : 2012PLoSO...737454V . doi : 10.1371/journal.pone.0037454 . PMC 3353935. PMID 22616011 .  
  10. ↑ Irimia, Andrei; Chambers, Micah C.; Torgerson, Carinna M.; Filippou, Maria; Hovda, David A.; Alger, Jeffry R.; Gerig, Guido; Toga, Arthur W.; Vespa, Paul M.; Kikinis, Ron; Van Horn, John D. (2012). "Visualización de conectómica adaptada al paciente para la evaluación de la atrofia de la sustancia blanca en el traumatismo craneoencefálico" . Frontiers in Neurology . 3 : 10. doi : 10.3389/fneur.2012.00010 . PMC 3275792. PMID 22363313 .  
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Lecturas adicionales

  • Rita Carter (1998). Mapeando la mente .
  • FJ Chen (2006). Mapeo cerebral y lenguaje.
  • FJ Chen (2006). Enfoque en la investigación del mapeo cerebral .
  • FJ Chen (2006). Tendencias en la investigación del mapeo cerebral .
  • FJ Chen (2006). Avances en la investigación del mapeo cerebral .
  • Koichi Hirata (2002). Avances recientes en el mapeo del cerebro humano: Actas del 12º Congreso Mundial de la Sociedad Internacional de Topografía Electromagnética Cerebral (ISBET 2001) .
  • Konrad Maurer y Thomas Dierks (1991). Atlas de mapeo cerebral: mapeo topográfico de EEG y potenciales evocados .
  • Konrad Maurer (1989). Mapeo topográfico del cerebro mediante EEG y potenciales evocados .
  • Arthur W. Toga y John C. Mazziotta (2002). Mapeo cerebral: Los métodos .
  • Tatsuhiko Yuasa, James Prichard y S. Ogawa (1998). Avances actuales en el mapeo funcional del cerebro: ciencia y aplicaciones .