Un nuevo software permite crear modelos 3D del cerebro de un mono

El cerebro animal es tan complejo que haría falta un superordenador y grandes cantidades de datos para crear un modelo 3D detallado con los miles de millones de neuronas que lo componen. Sin embargo, un equipo de informáticos y un profesor de Oftalmología de la Universidad de Utah, en Estados Unidos, han desarrollado un software que mapea el cerebro de un mono para crear un modelo 3D de forma más sencilla, proporcionando una imagen bastante completa de sus conexiones.

Una visión más precisa de la red cerebral puede ayudar a los investigadores médicos a comprender cómo se interrumpe la conectividad en condiciones mentales y neurológicas como la esquizofrenia, la depresión, la ansiedad o el autismo. Además, se puede aplicar a anomalías relacionadas con la visión como la ambliopía, un trastorno en el que uno o ambos ojos carecen de agudeza visual, y varias formas de degeneración de la retina.

La investigación se dio a conocer la pasada semana en Neurociencia 2015, el encuentro anual de la Sociedad para la Neurociencia celebrado en Chicago. "Entender las conexiones en un cerebro normal puede servir como base para entender cómo se interrumpen en un cerebro anormal", señala Alessandra Angelucci, profesora de Oftalmología y Ciencias Visuales en Utah, en un comunicado de la universidad.

Para utilizar el software se ha partido como base del cerebro de un mono, por ser el que más se parece al humano. Hasta ahora, los investigadores tenían que escanear miles de capas finas del cerebro de un primate mediante un microscopio para ver sus neuronas, o lo que es lo mismo, las células del cerebro que transmiten impulsos nerviosos.

No existía una manera práctica de crear un modelo tridimensional de estas capas, por la cantidad de información que supone. Por ejemplo, una exploración de alta resolución de una parte del cerebro del tamaño de un céntimo generaría casi dos millones de imágenes de un total de 30 terabytes (30.000 gigabytes) en archivos. "Era algo imposible, pues no hay un equipo o software que puede manejar esas cantidades”, asegura la profesora.

Software adaptado

Ahora, el equipo que dirige Valerio Pascucci, profesor de Informática en Utah, ha desarrollado un software que permite crear un modelo 3D del cerebro de un animal de forma mucho más rápida y sin necesidad de tanta potencia ni memoria del sistema. Para ello se valieron de un software previo creado en una plataforma de la Universidad, VISUS (Visualization Streams for Ultimate Scalability).

El programa se utiliza para visualizar grandes conjuntos de datos para crear simulaciones meteorológicas o energéticas, o imágenes en alta resolución de ciudades. El equipo lo adaptó para montar imágenes de alta resolución de las diferentes secciones del cerebro en un modelo 3D que se puede ver desde diferentes ángulos.

Para crear las imágenes del cerebro se valieron de un nuevo método conocido como CLARITY, que hace transparente el tejido cerebral al sumergirlo en unos hidrogeles especiales. El nuevo software permite escanear a la vez cientos de bloques en 3D del cerebro con un microscopio de dos fotones, de forma que los científicos pueden ver los resultados de inmediato en lugar de esperar a que se descarguen.

Con ayuda humana, el sistema monta los bloques en una imagen completa de cada región del cerebro de forma fácil y rápida, creando un modelo 3D que permite ver áreas y ángulos que no se podían ver tan fácilmente en imágenes 2D. Así, se detectan neuronas individuales y sus largas colas, conocidas como axones, prolongaciones que conducen el impulso nervioso desde un cuerpo celular hasta otra célula.

Asimismo, el software permite controlar el escaneo del cerebro, una tarea que puede llevar semanas, y asegurarse de que no se crean imágenes defectuosas durante el proceso, ahorrando un tiempo precioso.

Este avance permite comprender e interpretar datos en otro nivel totalmente diferente. "Hemos visto una y otra vez en muchos campos como esto hace que la gente entienda más rápido y mucho mejor la relación espacial entre todas las partes", incide Pascucci. De hecho, gracias a esta herramienta, los investigadores médicos podrán estudiar y comprender mejor cómo se interrumpe la conectividad del cerebro en condiciones anormales, por ejemplo ante una degeneración de retina o en trastornos como el autismo.

Estudios previos

La de Utah no es la primera investigación que consigue generar imágenes en 3D del cerebro completo. Según publicaba Tendencias21 el año pasado, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Viena fueron los primeros en crear un sistema que desvela la actividad neuronal en cerebros de animales vivos. En concreto, la tecnología se probó para registrar imágenes, de manera simultánea, de la actividad de todas las neuronas del gusano Caenorhabditis elegans, una especie de nematodo que ha sido un importante modelo de estudio para la biología desde los años 70 del siglo pasado.

Previamente, en 2007, informáticos de la Nanyang Technological University de Singapur desarrollaron un software que permitía la visualización en tres dimensiones y el procesado de datos de la actividad cerebral a partir de un electroencefalograma. El objetivo era entonces facilitar la comprensión de la magnitud de las emociones que despiertan en los pacientes ciertos estímulos, para desarrollar terapias especiales relacionadas con estímulos visuales, musicales u olfativos.

En este caso el estudio ha utilizado como base el cerebro de un mono pues, aunque ha habido estudios que argumentaban que los humanos tuvieron que evolucionar hacia un nuevo sistema neuronal, la mayoría de investigaciones sugieren que los precursores de estos sistemas cerebrales especializados pudieron existir en otros primates.