Una de las 7.400 secciones del cerebro escaneadas para crear el atlas 3D. Imagen: Claude LePage. Fuente: AAAS.
La revista Science informa sobre la culminación de BigBrain, la reconstrucción en 3D más completa del cerebro humano realizada hasta ahora, que muestra los detalles de la anatomía de este órgano a escala microscópica y con una resolución espacial de 20 micras, esto es, menor que el tamaño de una fina hebra de cabello.
Esta reconstrucción supera la resolución de todos los modelos de referencia existentes y de dominio público, y será puesta a libre disposición de la comunidad científica en este enlace.
La resolución de BigBrain permitirá a los científicos obtener información sobre las bases neurobiológicas de la cognición, el lenguaje, las emociones y otros procesos, señala el estudio. Esta herramienta servirá además como atlas para la neurocirugía, y proporcionará un marco para la investigación de enfermedades cerebrales como el Alzheimer.
Muestra lo que antes no se veía
"Se trata de una base común para las discusiones científicas, porque todo el mundo podría trabajar con este modelo del cerebro", explica Karl Zilles, catedrático de la Jülich Aachen Research Alliance (JARA) y uno de los co-autores del artículo de Science, en un comunicado de la American Association for the Advancement of Science (AAAS) .
Este nuevo cerebro de referencia, que es parte de la iniciativa europea Human Brain Project, "redefine mapas tradicionales de principios del siglo XX", explica la autora principal de dicho trabajo, Katrin Amunts del Centro de Investigación Jülich de Alemania.
BigBrain se diferencia de los mapas o atlas cerebrales ya existentes en que éstos no detectan componentes no macroscópicos o “invisibles” del cerebro. El BigBrain, por el contrario, proporciona una resolución mucho más detallada.
Aunque todavía se podría mejorar, reconocen, pero para ello será necesario esperar a que haya ordenadores lo suficientemente potentes como para procesar infinidad de datos, visualizarlos o analizarlos.
Esta reconstrucción supera la resolución de todos los modelos de referencia existentes y de dominio público, y será puesta a libre disposición de la comunidad científica en este enlace.
La resolución de BigBrain permitirá a los científicos obtener información sobre las bases neurobiológicas de la cognición, el lenguaje, las emociones y otros procesos, señala el estudio. Esta herramienta servirá además como atlas para la neurocirugía, y proporcionará un marco para la investigación de enfermedades cerebrales como el Alzheimer.
Muestra lo que antes no se veía
"Se trata de una base común para las discusiones científicas, porque todo el mundo podría trabajar con este modelo del cerebro", explica Karl Zilles, catedrático de la Jülich Aachen Research Alliance (JARA) y uno de los co-autores del artículo de Science, en un comunicado de la American Association for the Advancement of Science (AAAS) .
Este nuevo cerebro de referencia, que es parte de la iniciativa europea Human Brain Project, "redefine mapas tradicionales de principios del siglo XX", explica la autora principal de dicho trabajo, Katrin Amunts del Centro de Investigación Jülich de Alemania.
BigBrain se diferencia de los mapas o atlas cerebrales ya existentes en que éstos no detectan componentes no macroscópicos o “invisibles” del cerebro. El BigBrain, por el contrario, proporciona una resolución mucho más detallada.
Aunque todavía se podría mejorar, reconocen, pero para ello será necesario esperar a que haya ordenadores lo suficientemente potentes como para procesar infinidad de datos, visualizarlos o analizarlos.
Las secciones de un cerebro femenino de 65 años de edad se cortaron con una herramienta de gran escala llamada microtomo. Imagen: Evans y Amunts. Fuente: SINC.
Síntesis 3D de 7.400 secciones
Para crear BigBrain, Amunts y sus colaboradores explotaron los más recientes avances en computación y en técnicas de análisis de imágenes.
Usando una herramienta especial llamada microtomo, cortaron cuidadosamente el cerebro conservado en parafina de una mujer de 65 años de edad.
Con imágenes de más de 7.400 cortes histológicos individuales -cada uno con sus propias deformaciones, roturas y desgarros- se formó un modelo volumétrico coherente del cerebro total.
Las secciones fueron montadas en láminas, teñidas para detectar sus estructuras celulares y, finalmente, digitalizadas con un escáner plano de alta resolución, para hacer la reconstrucción 3D. Recopilar todo los datos del BigBrain supuso unas 1.000 horas de trabajo.
“El BigBrain es el primer modelo en 3D de un cerebro humano en una resolución microscópica. Es 50 veces mayor que la de los atlas cerebrales existentes”, ha explicado a SINC Amunts.
Tal y como apunta la investigadora, “en este atlas es necesario integrar los datos de la neurociencia celular, el análisis de estudios de mapeo de la distribución de los receptores de neurotransmisores o el patrón de expresión de genes en forma espacialmente organizada”.
Para los autores, el modelo proporcionará parámetros realistas, necesarios para la simulación, y empujará el desarrollo de nuevas herramientas para el análisis de imágenes, visualización y computación de alto rendimiento.
"Ha sido una proeza montar imágenes de más de 7.400 cortes histológicos individuales, cada uno con sus propias deformaciones, roturas y desgarros, en un volumen de 3D coherente", afirma Alan Evans, otro de los autores del estudio que trabaja en el Instituto de Neurología de Montreal (Canadá). "Este conjunto de datos permite por primera vez una exploración 3-D de la anatomía citoarquitectónica humana", añade.
A la búsqueda de células cerebrales individuales
Los investigadores planean ahora utilizar BigBrain para hacer mediciones del espesor cortical y obtener así información sobre el envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas. Además, esperan poder realizar un modelo del cerebro a una micra de resolución para capturar detalles de la morfología de células individuales.
En general, los mapas detallados del cerebro pueden ayudar a los científicos en el análisis de las conexiones neuronales y de la actividad cerebral a tiempo real. La creación de este mapa tan detallado del cerebro, que ofrece una puerta de acceso a conocimientos sin precedentes de la anatomía y la organización cerebrales “ha sido un sueño durante casi 20 años", explica Amunts en el comunicado de AAAS.
"El sueño se ha hecho realidad gracias a una colaboración interdisciplinar e intercontinental “, añade, dado que ha abarcado a disciplinas tan variadas como la neuroanatomía y la supercomputación, y ha implicado a científicos europeos y canadienses.
Para crear BigBrain, Amunts y sus colaboradores explotaron los más recientes avances en computación y en técnicas de análisis de imágenes.
Usando una herramienta especial llamada microtomo, cortaron cuidadosamente el cerebro conservado en parafina de una mujer de 65 años de edad.
Con imágenes de más de 7.400 cortes histológicos individuales -cada uno con sus propias deformaciones, roturas y desgarros- se formó un modelo volumétrico coherente del cerebro total.
Las secciones fueron montadas en láminas, teñidas para detectar sus estructuras celulares y, finalmente, digitalizadas con un escáner plano de alta resolución, para hacer la reconstrucción 3D. Recopilar todo los datos del BigBrain supuso unas 1.000 horas de trabajo.
“El BigBrain es el primer modelo en 3D de un cerebro humano en una resolución microscópica. Es 50 veces mayor que la de los atlas cerebrales existentes”, ha explicado a SINC Amunts.
Tal y como apunta la investigadora, “en este atlas es necesario integrar los datos de la neurociencia celular, el análisis de estudios de mapeo de la distribución de los receptores de neurotransmisores o el patrón de expresión de genes en forma espacialmente organizada”.
Para los autores, el modelo proporcionará parámetros realistas, necesarios para la simulación, y empujará el desarrollo de nuevas herramientas para el análisis de imágenes, visualización y computación de alto rendimiento.
"Ha sido una proeza montar imágenes de más de 7.400 cortes histológicos individuales, cada uno con sus propias deformaciones, roturas y desgarros, en un volumen de 3D coherente", afirma Alan Evans, otro de los autores del estudio que trabaja en el Instituto de Neurología de Montreal (Canadá). "Este conjunto de datos permite por primera vez una exploración 3-D de la anatomía citoarquitectónica humana", añade.
A la búsqueda de células cerebrales individuales
Los investigadores planean ahora utilizar BigBrain para hacer mediciones del espesor cortical y obtener así información sobre el envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas. Además, esperan poder realizar un modelo del cerebro a una micra de resolución para capturar detalles de la morfología de células individuales.
En general, los mapas detallados del cerebro pueden ayudar a los científicos en el análisis de las conexiones neuronales y de la actividad cerebral a tiempo real. La creación de este mapa tan detallado del cerebro, que ofrece una puerta de acceso a conocimientos sin precedentes de la anatomía y la organización cerebrales “ha sido un sueño durante casi 20 años", explica Amunts en el comunicado de AAAS.
"El sueño se ha hecho realidad gracias a una colaboración interdisciplinar e intercontinental “, añade, dado que ha abarcado a disciplinas tan variadas como la neuroanatomía y la supercomputación, y ha implicado a científicos europeos y canadienses.
Referencia bibliográfica:
K. Amunts, C. Lepage, L. Borgeat, H. Mohlberg, T. Dickscheid, M.-E. Rousseau, S. Bludau, P.-L. Bazin, L. B. Lewis, A.-M. Oros-Peusquens, N. J. Shah, T. Lippert, K. Zilles, A. C. Evans. BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model (2013). Science (2013) DOI:10.1126/science.1235381.
K. Amunts, C. Lepage, L. Borgeat, H. Mohlberg, T. Dickscheid, M.-E. Rousseau, S. Bludau, P.-L. Bazin, L. B. Lewis, A.-M. Oros-Peusquens, N. J. Shah, T. Lippert, K. Zilles, A. C. Evans. BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model (2013). Science (2013) DOI:10.1126/science.1235381.