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Conectómica: Cartografía del cerebro

Artículo original: Connectomics: Mapping the Brain, Steven Walston

Traducido por Diana Vela Escalera

Editado por Siqi Qian, Daniela Torres Vargas, Lucía Rayo Turpin, Aitana Nogales Santos, Kimberlyn Roxeny Ortiz Zuta, Olivia Torres Huete, Candela Zulueta Taboada y Nicole Vega Lima

El cerebro humano está compuesto de aproximadamente 100 millones de neuronas, donde cada una hace múltiples conexiones con neuronas adyacentes. La diversidad de estas neuronas y sus vastas conexiones facilitan procesos como los que intervienen en la toma de decisiones, la evocación de un recuerdo, montar en bicicleta o simplemente leer esta oración. La conexión incorrecta de estas neuronas puede ser la base de algunos desórdenes mentales y déficits. Para comprender cómo la estructura de las redes neuronales media la función, los investigadores han enfatizado el desarrollo de técnicas que permitan identificar cómo cada neurona está íntimamente conectada con sus neuronas vecinas. Y con ello nace el campo de la conectómica.

La conectómica se considera una rama de la biotecnología que utiliza sistemas automatizados de imagen de alta velocidad para construir mapas detallados de los circuitos neuronales. Este esfuerzo investigador se compara a menudo con la genómica, que es bien conocida por el proyecto del genoma humano. Así como el proyecto del genoma humano buscaba cartografiar e identificar todos los genes del ADN humano, la conectómica busca identificar y cartografiar todas las conexiones neuronales en el cerebro. En este sentido, un mapa detallado de las conexiones neuronales se domina como un conectoma.

 En un enfoque particular de la conectómica dirigido por el laboratorio de Jeff Lichtman en la Universidad de Harvard, se conserva en plástico un pequeño bloque de tejido cerebral, se corta en secciones de 30 nanómetros con una cuchilla muy afilada y se recoge en obleas de silicio, como se ilustra en la figura siguiente. Aproximadamente, se pueden recopilar 1.000 secciones al día. A continuación, las secciones se visualizan con un microscopio electrónico con una resolución de 5 nanómetros/píxeles. La imagen de un milímetro cúbico de tejido cerebral requiere un petabyte de espacio de almacenamiento (106 gigabytes = 1.000 terabytes = 1 petabyte). Con la tecnología actual, se necesitarían unos 10 millones de años para cartografiar cada sinapsis en un cerebro humano, y se requerirían varios millones más de petabytes de datos para almacenar la información. En comparación, ¡es aproximadamente la misma cantidad de datos que se han creado en todo Internet!

Afortunadamente, no tenemos que esperar 10 millones de años para empezar a apreciar el tipo de información que proporciona la conectómica. El examen de un conjunto de datos de 100TB parcialmente reconstruidos y adquiridos a lo largo de 100 días, revela la compleja conexión neuronal de un volumen de tejido cerebral alrededor del tamaño de un grano de sal. Dentro de un volumen de 600 micras cúbicas completamente reconstruido de este conjunto de datos, existen más de 600 axones, 40 dendritas y 500 sinapsis con cada vesícula sináptica contabilizada. Mira esta charla TED en la que Jeff Lichtman muestra cómo son realmente los datos conectómicos (comience a mirarla en el minuto 14):

Hasta ahora, los conjuntos de datos con este nivel de detalle se consideraban demasiado complejos numéricamente para adquirirlos y procesarlos. Los avances realizados en el campo de la conectómica están haciendo que este tipo de información sea una realidad. Todavía existen obstáculos en el flujo del proceso, pero los avances tecnológicos están minimizando constantemente estos impedimentos. Por ejemplo, las velocidades actuales de adquisición de imágenes son de aproximadamente 1TB por día. No obstante, los investigadores proyectan que, en unos años, las velocidades de adquisición alcanzarán los 3TB por hora, es decir, ¡se multiplicará por 72! A medida que el catálogo de estos conjuntos de datos se expanda y abarque más afecciones cerebrales, podremos comprender mejor cómo las neuronas forman circuitos que facilitan aprender a montar en bicicleta, evocar recuerdos y obtener más información sobre el desarrollo de enfermedades neuronales.

 

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Escrito por Steven Walston
Traducido por Diana Vela Escalera
Imágenes adaptadas de neuroimages.tumblr.com
Editado en español por Siqi Qian, Daniela Torres Vargas, Lucía Rayo Turpin, Aitana Nogales Santos, Kimberlyn Roxeny Ortiz Zuta, Olivia Torres Huete, Candela Zulueta Taboada y Nicole Vega Lima

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Referencias

Grantz J. and Reinsel D. (2010). The Digital Universe Decade: Are You Ready? IDC http://www.emc.com/collateral/analyst-reports/idc-digital-universe-are-you-ready.pdf

Lichtman, J. ((2013, January 31). Connectomics [Video]. http://www.youtube.com/watch?v=F37kuXObIBU

Morgan J.L. and Lichtman J.W. (2013) Why Not Connectomics. Nature Methods, 10:494-500. DOI: 10.1038/nmeth.2480.

Vázquez-Reina A., Jeong W.K., Lichtman J. & Pfister H. (2011). The connectome project, XRDS: Crossroads, The ACM Magazine for Students, 18 (1) 8. DOI: 10.1145/2000775.2000782

Author

  • knowingneurons

    Knowing Neurons is an award-winning neuroscience education and outreach website that was created by young neuroscientists. The global team members at Knowing Neurons explain complicated ideas about the brain and mind clearly and accurately using powerful images, infographics, and animations to enhance written content. With an extensive social media presence, Knowing Neurons has become an important science communication outlet and resource for both students and teachers.

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