El cerebro humano es uno de los sistemas naturales más complejos que se conocen. Esto no se debe simplemente a que haga relativamente poco tiempo que el desarrollo tecnológico haya permitido la creación de herramientas de medición adecuadas para estudiar este conjunto de órganos, no al hecho de que un cerebro humano promedio de una persona adulta contenga aproximadamente 80.000.000 de neuronas. La clave está en cómo se conectan estas células nerviosas.
Tal y como veremos en este artículo, el concepto de conectoma nace para ayudarnos a comprender la lógica interna de algo tan complicado como un cerebro.
¿Qué es?
Tal y como hemos visto, en el cerebro humano hay una cantidad abrumadora de células nerviosas. Pero, además, cada neurona es capaz de conectarse con cientos, miles de otras neuronas. Estas conexiones pueden ir cambiando y desarrollándose con el paso del tiempo.
Puede decirse que si nuestro sistema nervioso funciona es porque las neuronas son capaces de mandarse millones de impulsos nerviosos las unas a las otras mediante estas tomas de contacto, llamadas sinapsis. Cada neurona, de manera individual, no es capaz de realizar ninguna de las funciones que nos permiten pensar, sentir o incluso permanecer con vida.
Un conectoma, pues, es el mapa completo de las conexiones neuronales que existen en un sistema nervioso o en parte de un sistema nervioso, normalmente un cerebro, similar a cómo el genoma mapea los genes, describiendo las redes de sinapsis que permiten al cerebro funcionar a distintas escalas (microscópicas y macroscópicas) y que varían con la edad y la experiencia, siendo fundamental para entender la salud cerebral y enfermedades como el autismo, Alzheimer o esquizofrenia, utilizando técnicas como la Resonancia Magnética Funcional (fMRI) para su estudio.
Sería, por tanto, una descripción minuciosa y detallada de todas las sinapsis dentro del cerebro. Es decir, aproximadamente, 86 mil millones de neuronas. Sin duda, plantea un reto titánico que podría extenderse por generaciones. Sin embargo, existen distintos niveles de estudio del conectoma y las interconexiones neurales.
Como explica la doctora Nim Tottenham, se puede establecer la conectividad entre las estructuras cerebrales siguiendo los tractos de materia blanca que las unen. Y, como resultado, esto permite establecer las relaciones funcionales entre las estructuras cerebrales y determinar sus funciones.
En los últimos años han aparecido varios proyectos a través de los cuales se intenta comprender el funcionamiento de varias partes del sistema nervioso gracias a estas representaciones.
- Mapa neuronal: Es un diagrama detallado de todas las conexiones (sinapsis) entre las neuronas del sistema nervioso o de una parte de él, como el cerebro.
- Analogía: Se compara con el genoma, pero en lugar de genes, mapea la "red de cableado" del cerebro.
Escalas
- Microscópica: Describe las conexiones entre neuronas y sinapsis dentro de una región cerebral.
- Macroscópica: Mapea las conexiones entre las diferentes áreas corticales y subcorticales del cerebro.
Importancia
- Función cerebral: Permite comprender cómo la estructura de las redes neuronales se relaciona con la función cerebral.
- Enfermedades: Su estudio es clave para entender trastornos como el autismo, Alzheimer, dislexia y esquizofrenia.
- Medicina personalizada: Ayuda en la planificación quirúrgica para tumores cerebrales, minimizando riesgos y mejorando resultados.
Cómo se estudia
- Técnicas no invasivas: Resonancia Magnética Funcional (fMRI), magnetoencefalografía (MEG) y electroencefalografía (EEG).
- Análisis avanzado: Se usan herramientas de la teoría de grafos para analizar las propiedades de estas redes.
Características clave
- Dinámico y único: Cambia con el desarrollo, el envejecimiento y las experiencias, haciendo que cada conectoma sea único.
- "Naturaleza y crianza": Refleja tanto la programación genética como las señales eléctricas y químicas que modifican las conexiones.
Conexiones estructurales y conexiones funcionales
A la hora de diseñar conectomas, es posible describir tanto conexiones estructurales como conexiones funcionales. Las primeras revelan patrones generales y macroanatómicas de conectividad, plasmadas normalmente en haces de axones agrupados que van de una parte del sistema nervioso hacia otra región de este. Las segundas muestran se centran en detalles de menores dimensiones relacionadas con la probabilidad de que un grupo de conexiones neuronales mande ciertos impulsos nerviosos hacia otro grupo, conexión que suele realizarse de manera más imprevisible e interrumpida.
El Proyecto Conectoma Humano
En el siglo XX uno de los hitos científicos más relevantes trataba de encontrar la secuencia completa del ADN, llamado “genoma humano”, y en la actualidad, la comunidad científica está orientando sus investigaciones para alcanzar una descripción completa de la conectividad a gran escala de distintas regiones del cerebro, un proyecto que se conoce como “conectoma humano”, siendo frecuente que se compare el concepto de conectoma con el del genoma, palabra de a su vez se refiere a la información contenida en otro tipo de estructura biológica: el ADN. Del mismo modo en el que en el siglo XX la biología y las disciplinas científicas afines a esta vieron una gran esperanza en la posibilidad de desentrañar la lógica interna del genoma humano, en los últimos años la neurociencia y la psicología, así como las ciencias computacionales, han empezado a poner su mirada en la posibilidad de comprender el conectoma típico de los miembros de nuestra especie.
Estamos ante un gran reto que se propone estudiar tanto las redes estructurales del cerebro, construidas a partir de medidas de asociación física, como las redes funcionales, derivadas de medidas de dependencia estadística. Es por eso que en el año 2009 nació el Human Connectome Project, o Proyecto Conectoma Humano, financiado por miembros de los National Institutes of Health, de los Estados Unidos de América. El vínculo de esta iniciativa con la salud es evidente: es posible trazar el mapeado de conexiones de un cerebro humano sano, pero también de uno asociado a una enfermedad mental determinada, para de este modo localizar diferencias significativas en el modo en el que las células nerviosas se comunican entre sí en cada caso.
El Proyecto Conectoma Humano está patrocinado por dieciséis miembros de los Institutos Nacionales de la Salud y se puso en marcha en 2009 como el primero de tres Grandes Retos del Plan de los Institutos Nacionales de la Salud para llevar a cabo investigaciones de neurociencia.
Redes funcionares y estructurales
El objetivo del Proyecto Conectoma Humano consiste en construir un «mapeo de red» que facilite información sobre sus redes funcionales y estructurales, su desarrollo, envejecimiento dentro del cerebro humano sano, y a la vez conseguir datos que aporten la investigación de los trastornos cerebrales como dislexia, autismo, alzheimer o esquizofrenia.
Para medir la conectividad cerebral se utilizan diversas técnicas, algunas de ellas son invasivas y otras no invasivas. Entre estas últimas está la Resonancia Magnética Funcional que aporta información sobre la estructura y composición del cerebro y sirve para identificar las regiones cerebrales que se activan a la vez que se realiza una acción.
CTM, estudios con datos de la psicoradiografía
En esta línea de acción trabaja CTM porque uno de los principales problemas a los que se enfrentan las personas con enfermedades psiquiátricas es el diagnóstico concreto así como observar la respuesta a los tratamientos. En Almería, Clínica Tecnológica Médica, CTM, es el único centro de la provincia que ahora puede realizar estudios basados en datos de la psicoradiografía muy avanzados capaces de clasificar el tipo de trastorno del comportamiento humano y a la vez desarrollar un seguimiento y la respuesta a la medicación.
CTM ya está llevando a cabo esos estudios gracias al acuerdo suscrito con el laboratorio informático de neurociencias de la URJC de Madrid. CTM toma las imágenes de Resonancia Funcional en Estado de Reposo con su equipo de 3 Teslas, las envía al laboratorio informático con las indicaciones del radiólogo sobre lo que necesita saber para que el laboeratorio se neurociencias analice informáticamente los estudios funcionales enviados por CTM.
Estos estudios suponen una la gran oportunidad porque ofrecen la posibilidad de un diagnóstico objetivo a muchos pacientes que, hasta ahora, no tenían identificada su enfermedad porque determinar los trastornos del comportamiento humano con precisión no es tan fácil . Además “os estudios emitidos desde CTM permiten una mayor efectividad para el control y efecto de los fármacos ya que en la actualidad hay grandes dificultades para el seguimiento de respuesta a los tratamientos con fármacos.
Resulta razonable buscar las causas de ciertos trastornos en este patrón de conectividad, ya que actualmente hay un importante consenso alrededor de la idea de que los procesos mentales tienen más posibilidades de tener problemas de funcionalidad si los grupos de neuronas que los impulsan están muy separados entre sí, dado que trabajar con esas distancias involucra asumir un mayor coste metabólico. Si en un cerebro esa distancia entre grupos de neuronas es anormalmente grande, podrían aparecer alteraciones de percepción o de comportamiento. A día de hoy el Human Connectome Project sigue en marcha.
¿Una fotografía del cerebro?
Tal y como hemos visto, el conectoma es una especie de mapa del cerebro, y su existencia puede facilitar la comprensión de su funcionamiento. Sin embargo, por su propia naturaleza, es una herramienta con un poder limitado.
Esto es así porque el sistema nervioso, especialmente el cerebro, es un sistema que cambia constantemente. Este es un fenómeno conocido como plasticidad neuronal, por el cual cualquier experiencia, independientemente de su importancia en términos psicológicos, hace que los patrones de conectividad y de actividad de nuestras neuronas cambien.
Así pues, un conectoma puede dar una idea aproximada del funcionamiento de ciertas lógicas conductuales, de los efectos de algunas enfermedades mentales y lesiones cerebrales, e incluso puede servir para crear sistemas de aprendizaje por red neuronal en ordenadores. De hecho, ya se han dado logros prometedores, como recrear el conectoma del cerebro de un tipo de gusano, crear una simulación con él, y hacer que aprenda ciertas conductas tal y como lo haría uno de estos animales sin programar ni una línea de código.
Pero un conectoma no puede servir para predecir de manera exacta el comportamiento de un organismo con un cerebro como el humano o uno de complejidad similar, dado que este está cambiando constantemente. Si llegamos a ser capaces de llegar a ese grado de conocimiento, parece que aún queda mucho por andar.
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Consultas bibliográficas
