Proyecto Conectoma

Desentrañar el cerebro

GONZALO CASINO

El País Semanal, 13/12/2009;

Científicos de todo el mundo ponen en marcha el Proyecto Conectoma. Objetivo: trazar el mapa del cerebro humano para entender cómo funciona esta maravilla. Al estilo del genoma.

Imaginemos un buen plato de espaguetis. Conocer la trayectoria exacta de cada espagueti y todos sus puntos de contacto con los que tiene al lado parece un problema peliagudo. Sin embargo, es fácil de resolver con la tecnología actual: basta escanear la pasta en finísimas lonchas y reconstruir una imagen en tres dimensiones. El problema cambia radicalmente de dimensión si esta bola de pasta tuviera miles de millones de espaguetis. Y así es como podemos imaginarnos la inmensa maraña de prolongaciones de las células del cerebro humano. Por eso, hasta ahora, tener un mapa detallado de los contactos o sinapsis entre las neuronas era un reto inabordable. Pero los científicos creen que ha llegado el momento de ponerse manos a la obra y parecen dispuestos a conquistar una de las últimas fronteras de la biomedicina: el conectoma humano.

El Proyecto del Conectoma Humano es comparable en muchos aspectos al del genoma humano, que arrancó a finales de la década de 1980 y tardó en completarse casi 15 años. Así como el objetivo de la iniciativa del genoma era descifrar la secuencia de 3.000 millones de letras o pares de bases del ADN humano, el del proyecto del conectoma es conocer con detalle toda la circuitería del cerebro y sus sinapsis. El desafío de los neurocientíficos es, sin duda, de mayor complejidad que el de los genetistas, porque, entre otras cosas, el volumen de datos que deben manejar es muy superior. Pero hay algo que tienen en común: el éxito de ambas empresas es inimaginable sin la tecnología apropiada y la cooperación internacional.

Con la tecnología actual, la secuenciación de un genoma ya es algo muy sencillo. Parece mentira que hace sólo unos años hicieran falta miles de técnicos e investigadores para lograr el primer esbozo del genoma humano. Pronto se podrán secuenciar todos los genes de una persona en unas pocas semanas y por poco más de 1.000 euros. Con el mapa del cerebro quizá ocurra algo parecido en el futuro. El paso que han dado los neurocientíficos es el de empezar a creer que el reto del conectoma es posible. Y lo han dado porque ahora disponen de microscopios adecuados y otras nuevas herramientas para acometer el proyecto.

La carrera del conectoma empezó oficialmente el pasado 14 de julio. Ese día, el Departamento de Salud del Gobierno de EE UU lanzó el Proyecto del Conectoma Humano, dotado con 21,3 millones de euros para los próximos cinco años. El objetivo de este programa es utilizar las nuevas tecnologías de neuroimagen para elaborar un mapa de los circuitos del cerebro humano sano. Los científicos ya están definiendo las líneas maestras de sus investigaciones. La evaluación y aprobación de los trabajos que se reciban en los próximos meses se realizará en 2010.

Pero al margen de este programa del Gobierno de EE UU, en los últimos años han empezado a tomar cuerpo otros proyectos internacionales que apuntan en la misma dirección. El más ambicioso es probablemente el denominado Blue Brain (Cerebro Azul), un trabajo definido en 2008 a escala mundial para estudiar la estructura neuroanatómica y funcional del cerebro de los mamíferos y poder hacer simulaciones en ordenador que ayuden a entender cómo funciona tanto el cerebro sano como el enfermo. La idea del Blue Brain es que en este proyecto se vayan incorporando más y más centros de investigación de todo el mundo para trabajar como un único laboratorio multidisciplinar.

"Los neurocientíficos hemos venido trabajando de forma muy descoordinada, pero nos hemos dado cuenta de que sólo si unimos nuestras fuerzas y trabajamos juntos, y con objetivos concretos comunes, podremos empezar a entender el diseño estructural y funcional del cerebro. Y además seremos más efectivos a la hora de encontrar soluciones para los problemas de salud mental y las enfermedades neurodegenerativas", sostiene Javier de Felipe, neuroanatomista del Instituto Cajal del CSIC, en Madrid, y coordinador del proyecto español integrado en el Blue Brain, denominado Cajal Blue Brain.

Si algo tienen claro los investigadores es que el abordaje del cerebro es sumamente complicado. Por eso, a pesar de los avances de las últimas décadas, sigue siendo prácticamente una caja negra. Para empezar a hacer hipótesis bien fundamentadas sobre su funcionamiento normal y sobre las alteraciones que puede haber en los circuitos cuando aparece una enfermedad, los investigadores necesitan de forma imperiosa visualizar cómo son los circuitos neuronales. La depresión, la epilepsia, el alzheimer y tantas otras enfermedades presentan alteraciones en los circuitos que son desconocidas. Y es necesario visualizar esos circuitos para avanzar.

Uno de los primeros pasos que hay que dar es conocer la estructura de una columna neuronal, considerada como la unidad estructural y funcional básica del cerebro. Una columna neuronal viene a ser como un cilindro de un cuarto de milímetro de diámetro y una altura de entre 1,5 y 4,5 milímetros, que es el espesor de la corteza cerebral. En el cerebro humano puede haber 50 millones de columnas, y en cada una de ellas, unas 60.000 neuronas. Pero todos estos datos son estimaciones. Hasta ahora nadie ha conseguido reconstruir una columna en su totalidad, saber exactamente cuántas y qué tipos de neuronas tiene, sus sinapsis, sus vasos sanguíneos y demás elementos.

Es aquí donde la neurociencia española entra en escena en este proyecto. La iniciativa Cajal Blue Brain, en la que participan siete equipos de diversos centros españoles, se va a encargar, entre otras cosas, de estudiar la organización anatómica y funcional de una columna cortical de rata. El objetivo es conocer este bosque de unos 8.000 a 10.000 árboles (neuronas) entrelazados por infinidad de lianas (conexiones sinápticas). "Esperamos poder lograrlo antes de cinco años. Seríamos los primeros en tener la estructura completa de una columna. Luego sería más fácil estudiar las columnas de otras especies y del ser humano", afirma De Felipe. Y explica que con esta información se podría estudiar en el ordenador el funcionamiento de la corteza cerebral. Entre otras cosas, se podría simular la acción de fármacos y cómo se alteran los circuitos en patologías como la enfermedad de alzheimer y otras.

Si hasta ahora no se ha podido obtener una imagen tridimensional de una columna es por las limitaciones de los microscopios, tanto ópticos como electrónicos. El problema de los primeros es que, aunque permiten ver un campo amplio, su poder de resolución es escaso y con ellos no se logran distinguir las sinapsis. En cambio, con los microscopios electrónicos sí que es posible ver las sinapsis, pero para ello hay que estudiar el cerebro en lonchas ultrafinas (de 40 a 60 nanómetros o milésimas de micra) que luego hay que recomponer para obtener una imagen global en tres dimensiones.

En los próximos meses, la Universidad Politécnica de Madrid contará con un "revolucionario" microscopio, un Zeiss Crossbean, con el que acometer el estudio espacial de la columna neuronal. Esta herramienta de visualización, sostiene De Felipe, supera muchas limitaciones de los microscopios ópticos y electrónicos, y permitirá que cualquier técnico no especialmente entrenado pueda realizar miles de secciones seriadas de forma automática y en sólo unos pocos días.

La coordinación internacional es uno de los puntos fuertes del proyecto Blue Brain. Todos los equipos de los diferentes países implicados trabajarán de forma coordinada para que los datos puedan ser compartidos e intercambiables. El método de trabajo de esta iniciativa, promovida por la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza) e IBM, es realizar lo que se denomina ingeniería inversa de todo el cerebro, es decir, analizar sus componentes para tratar de entender así cómo funciona.

La visualización tridimensional del cerebro es sólo parte del problema. "El problema verdaderamente grande es manejar toda esa información visual. Hace falta un enorme poder de computación, y no es casualidad que sea IBM el patrocinador principal de Blue Brain", señala Alberto Ferrús, neurocientífico del Instituto Cajal. Para la realización de la parte española del proyecto, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación con 25 millones de euros, se contará con el superordenador Magerit, del Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid (Cesvima).

¿Por qué es tan importante tener una imagen real y completa de la estructura neuronal del cerebro? La respuesta es bien sencilla: los neurocientíficos necesitan ver para imaginar y para plantear buenas hipótesis. De nuevo el caso del genoma es bien ilustrativo. Sólo después del descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN los científicos pudieron visualizar y entender cómo se emparejaban las bases y descifrar el código genético.

Pero la neurobiología es una ciencia más reciente y con retos más complejos. "Uno de los grandes objetivos de la neurociencia es descifrar el código neuronal, clave de la conciencia y de cómo los impulsos eléctricos se traducen en pensamientos, en recuerdos, en sensaciones", apunta Ferrús. Lo que los científicos buscan, en última instancia, es entender la mente y el cerebro humano, qué es lo que nos hace humanos. Para ello hay que conocer antes su estructura y averiguar qué tiene de exclusivo.