Tendencias Científicas
Las imágenes producidas por el equipo de Lichtman muestran una enorme densidad en las conexiones neuronales. Fuente: Cell.
Santiago Ramón y Cajal fue, a principios del siglo XX, uno de los padres fundadores del campo de la neurociencia. De hecho, este científico fue reconocido con el Nobel por sus descripciones detalladas del cerebro y los procesos de conexiones neuronales, por medio de axones y dendritas.
Por eso, resulta bastante apropiado que haya sido Jeff Lichtman, primer profesor que ha recibido un título en memoria del investigador español (Profesor de Artes y Ciencias Santiago Ramón y Cajal), quien haya liderado un nuevo estudio de la Universidad de Harvard (EEUU) para investigar el cerebro a escala nanoscópica.
El trabajo ha contado con la colaboración de 20 investigadores procedentes de instituciones como el MIT o la Universidad Johns Hopkins, además de Harvard. Las distintas disciplinas a las que pertenecen los científicos han permitido crear un proyecto común que ha tardado más de seis años en llevarse a cabo, hasta su publicación este año.
El proceso de estudio
La necesidad de observar el cerebro a una escala mayor llevó a utilizar microscopios electrónicos para crear imágenes digitales de los tejidos y reconstruir modelos en 3D de los axones, las dendritas y las sinapsis del proceso. Este no fue el primer paso: los científicos también tuvieron que crear una infraestructura digital basada en la arquitectura en pipeline para conseguir imágenes, algo que supuso la mayor parte del tiempo de desarrollo del proyecto.
Conseguidas las imágenes, el equipo construyó con ellas una base de datos que, como comenta Lichtman en un comunicado de la Universidad de Harvard, “permite observar las muestras una y otra vez sin tener que diseccionar un cerebro real para responder a cada pregunta”.
Por otra parte, lo detallado del modelo supone una gran ventaja, dado que el estudio se realiza sobre muestras muy pequeñas, del orden de 40x40x40 micrones. Una vez obtenida esa imagen, el equipo trabajó aún más sobre ella, hasta reconstruir un área de unos 1500 micrones cúbicos: tres billonésimas partes del cerebro de un ratón, explica el equipo.
Por eso, resulta bastante apropiado que haya sido Jeff Lichtman, primer profesor que ha recibido un título en memoria del investigador español (Profesor de Artes y Ciencias Santiago Ramón y Cajal), quien haya liderado un nuevo estudio de la Universidad de Harvard (EEUU) para investigar el cerebro a escala nanoscópica.
El trabajo ha contado con la colaboración de 20 investigadores procedentes de instituciones como el MIT o la Universidad Johns Hopkins, además de Harvard. Las distintas disciplinas a las que pertenecen los científicos han permitido crear un proyecto común que ha tardado más de seis años en llevarse a cabo, hasta su publicación este año.
El proceso de estudio
La necesidad de observar el cerebro a una escala mayor llevó a utilizar microscopios electrónicos para crear imágenes digitales de los tejidos y reconstruir modelos en 3D de los axones, las dendritas y las sinapsis del proceso. Este no fue el primer paso: los científicos también tuvieron que crear una infraestructura digital basada en la arquitectura en pipeline para conseguir imágenes, algo que supuso la mayor parte del tiempo de desarrollo del proyecto.
Conseguidas las imágenes, el equipo construyó con ellas una base de datos que, como comenta Lichtman en un comunicado de la Universidad de Harvard, “permite observar las muestras una y otra vez sin tener que diseccionar un cerebro real para responder a cada pregunta”.
Por otra parte, lo detallado del modelo supone una gran ventaja, dado que el estudio se realiza sobre muestras muy pequeñas, del orden de 40x40x40 micrones. Una vez obtenida esa imagen, el equipo trabajó aún más sobre ella, hasta reconstruir un área de unos 1500 micrones cúbicos: tres billonésimas partes del cerebro de un ratón, explica el equipo.
Una estructura de gran densidad
La densidad de las conexiones en muestras tan pequeñas fue la primera gran sorpresa que se llevaron los investigadores.
En la muestra se producían 1.500 sinapsis, procedentes de 1.500 células nerviosas que no solo trabajaban con axones y dendritas de esta parte del cerebro, sino también de otras colindantes.
“Si miras imágenes del cerebro tomadas con sistemas de alta resolución, donde cada píxel representa un milímetro cúbico, habría un billón de sinapsis en cada uno de esos píxeles”, explica Lichtman.
Morfología y conexiones inesperadas
La gran densidad de las conexiones no es la única sorpresa que ha acompañado al estudio. De hecho, el resultado más extraño ha tenido que ver con la misma morfología de axones y dendritas, y la manera en que ambas están conectadas.
“Se pensaba que las espinas dendríticas buscan conseguir información de tantos axones diferentes como sea posible, pero hemos encontrado muchos casos en los que el mismo axón se conecta con diferentes espinas de una misma dendrita”, afirma Lichtman.
La observación no resulta casual, y podría significar un cambio enorme en la forma de ver las conexiones. El descubrimiento de que los axones no buscan conectarse con dendritas distintas, sino que en muchas ocasiones prefieren realizar múltiples conexiones con la misma (a pesar de tener otras dendritas disponibles incluso más cerca), demuestra que el proceso no es casual, sino que sigue unos mecanismos propios que aún no se han descubierto.
Por otra parte, algo similar sucede con la morfología de las dendritas. El consenso entre los neurocientíficos era que la forma de las espinas dendríticas tenía que ver con la actividad eléctrica de los axones; sin embargo, entre esos axones que conectan con múltiples espinas de la misma dendrita, se ha visto que estas varían en anchura y longitud, descartando que el axón sea el responsable de estos cambios.
Un largo camino por delante
Estos resultados inesperados han llevado a Lichtman a describir el trabajo como “la subida en una escalera muy, muy alta”, aunque afirma que “al menos estamos en ella”. Lo importante de los descubrimientos abre tanto el camino de la esperanza como el sentimiento de que aún será necesario mucho trabajo, y pone las bases y la metodología para nuevos estudios en este campo.
Para Lichtman la respuesta a si se podrá conocer el cerebro humano en su plenitud es afirmativa, pero el proceso aún será lento: “en este caso”, afirma, “saber un poco más nos ha demostrado lo lejos que tenemos que ir todavía para entender el cerebro”.
La densidad de las conexiones en muestras tan pequeñas fue la primera gran sorpresa que se llevaron los investigadores.
En la muestra se producían 1.500 sinapsis, procedentes de 1.500 células nerviosas que no solo trabajaban con axones y dendritas de esta parte del cerebro, sino también de otras colindantes.
“Si miras imágenes del cerebro tomadas con sistemas de alta resolución, donde cada píxel representa un milímetro cúbico, habría un billón de sinapsis en cada uno de esos píxeles”, explica Lichtman.
Morfología y conexiones inesperadas
La gran densidad de las conexiones no es la única sorpresa que ha acompañado al estudio. De hecho, el resultado más extraño ha tenido que ver con la misma morfología de axones y dendritas, y la manera en que ambas están conectadas.
“Se pensaba que las espinas dendríticas buscan conseguir información de tantos axones diferentes como sea posible, pero hemos encontrado muchos casos en los que el mismo axón se conecta con diferentes espinas de una misma dendrita”, afirma Lichtman.
La observación no resulta casual, y podría significar un cambio enorme en la forma de ver las conexiones. El descubrimiento de que los axones no buscan conectarse con dendritas distintas, sino que en muchas ocasiones prefieren realizar múltiples conexiones con la misma (a pesar de tener otras dendritas disponibles incluso más cerca), demuestra que el proceso no es casual, sino que sigue unos mecanismos propios que aún no se han descubierto.
Por otra parte, algo similar sucede con la morfología de las dendritas. El consenso entre los neurocientíficos era que la forma de las espinas dendríticas tenía que ver con la actividad eléctrica de los axones; sin embargo, entre esos axones que conectan con múltiples espinas de la misma dendrita, se ha visto que estas varían en anchura y longitud, descartando que el axón sea el responsable de estos cambios.
Un largo camino por delante
Estos resultados inesperados han llevado a Lichtman a describir el trabajo como “la subida en una escalera muy, muy alta”, aunque afirma que “al menos estamos en ella”. Lo importante de los descubrimientos abre tanto el camino de la esperanza como el sentimiento de que aún será necesario mucho trabajo, y pone las bases y la metodología para nuevos estudios en este campo.
Para Lichtman la respuesta a si se podrá conocer el cerebro humano en su plenitud es afirmativa, pero el proceso aún será lento: “en este caso”, afirma, “saber un poco más nos ha demostrado lo lejos que tenemos que ir todavía para entender el cerebro”.
Referencia bibliográfica:
Narayanan Kasthuri, Kenneth Jeffrey Hayworth, Daniel Raimund Berger, Richard Lee Schalek, José Angel Conchello, Seymour Knowles-Barley, Dongil Lee, Amelio Vázquez-Reina, Verena Kaynig, Thouis Raymond Jones, Mike Roberts, Josh Lyskowski Morgan, Juan Carlos Tapia, H. Sebastian Seung, William Gray Roncal, Joshua Tzvi Vogelstein, Randal Burns, Daniel Lewis Sussman, Carey Eldin Priebe, Hanspeter Pfister, and Jeff William Lichtman. Saturated Reconstruction of a Volume of Neocortex. Cell (2015). DOI: 10.1016/j.cell.2015.06.054.
Narayanan Kasthuri, Kenneth Jeffrey Hayworth, Daniel Raimund Berger, Richard Lee Schalek, José Angel Conchello, Seymour Knowles-Barley, Dongil Lee, Amelio Vázquez-Reina, Verena Kaynig, Thouis Raymond Jones, Mike Roberts, Josh Lyskowski Morgan, Juan Carlos Tapia, H. Sebastian Seung, William Gray Roncal, Joshua Tzvi Vogelstein, Randal Burns, Daniel Lewis Sussman, Carey Eldin Priebe, Hanspeter Pfister, and Jeff William Lichtman. Saturated Reconstruction of a Volume of Neocortex. Cell (2015). DOI: 10.1016/j.cell.2015.06.054.
Inicio
Enviar a un amigo
Versión para imprimir
Compartir
Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica
CIENCIA ON LINE