Reproducen digitalmente por primera vez un fragmento del cerebro humano

• Se trata del neocórtex o neocorteza, donde reside el razonamiento
• El proyecto consigue simular el comportamiento de las neuronas que lo componen
• Han hecho falta 20 años de experimentación biológica y 10 de computacional

La neocorteza es la región del cerebro en la que se desarrollan el lenguaje, la imaginación o la capacidad de abstracción.

Un equipo de investigadores con presencia española ha realizado la primera reconstrucción informática de una pieza del neocórtex (neocorteza cerebral), la región del cerebro en la que reside el razonamiento humano. Decenas de miles de experimentos con ratas y el empleo de superordenadores fueron necesarios para el desarrollo del algoritmo que interpreta millones de datos en un superordenador.

La neocorteza es la estructura más "humana" del sistema nervioso, ya que es la región de la corteza cerebral relacionada con las capacidades que diferencian al ser humano de otros mamíferos, como el lenguaje, la imaginación o la capacidad de abstracción.

Un equipo internacional de investigadores, formado por miembros de los proyectos europeos Blue Brain (Cajal Blue Brain en España) y Human Brain Project, ha conseguido reconstruir informáticamente una parte detallada de esta parte del cerebro y simular el comportamiento de las neuronas que lo componen.

“La neocorteza es la región del cerebro que nos hace humanos. En ella se desarrollan el lenguaje, la imaginación o la capacidad de abstracción. “

Este avance representa la culminación de 20 años de experimentación biológica, que componen el conjunto de datos central, y 10 años de trabajo en ciencia computacional, para el desarrollo de los algoritmos empleados y del software necesario para la reconstrucción y simulación digital del tejido cerebral.

Experimentos en neuronas y sinapsis

Los investigadores llevaron a cabo decenas de miles de experimentos en neuronas y sinapsis (conexión entre neuronas) en la corteza cerebral de ratas jóvenes, para posteriormente catalogar cada tipo encontrado. Así, indentificaron una serie de normas fundamentales que describen cómo se organizan las neuronas en los microcircuitos neocorticales (campo de conexiones entre neuronas de corto alcance), y cómo están conectadas mediante las sinapsis (conexiones existentes entre neuronas por las que se transmiten las señales generadas de una a otra).

Los investigadores han llevado a cabo decenas de miles de experimentos en neuronas y sinapsis (conexión entre neuronas) en la corteza cerebral. Blue Brain

Posteriomente, desarrollaron un algoritmo que predice la ubicación de casi 40 millones de sinapsis presentes en los microcircuitos cerebrales, y colocando modelos 3D realistas de neuronas en un volumen virtual, respetando la distribución medida de diferentes tipos de neuronas a diferentes profundidades. Así, detecta las más de 600 millones de localizaciones donde se tocan las ramas de las neuronas, y tras eliminar sistemáticamente todos los contactos que no encajen con cinco reglas biológicas de conectividad, arroja 37 millones de contactos, que son las localizaciones donde los investigadores construyen las sinapsis del modelo.

Para modelar el comportamiento de las sinapsis, los investigadores integraron datos de sus experimentos y de la literatura científica, consiguiendo calcular las corrientes iónicas que fluyen a través de estos 37 millones de sinapsis mediante la integración de datos para sólo algunas de ellas.

"Primer paso" para reproducir digitalmente el cerebro humano

Según Javier DeFelipe, investigador de Ciberned desde el del Instituto Cajal de Madrid y la Universidad Politécnica de Madrid, la investigación desarrollada "demuestra que la reproducción digital del cerebro humano y la simulación de su funcionamiento es posible, y que hemos dado el primer paso para llegar a alcanzarla".

DeFelipe, coordinador en España del Human Brain Project, afirma que existe "una estrecha relación" entre las estadísticas de conectividad para la reconstrucción digital y las mediciones experimentales en tejidos biológicos no empleadas en esta reconstrucción", como los obtenidos de forma independiente en su laboratorio.

Tras los pasos de Ramón y Cajal

Así, según el investigador, el proyecto está consiguiendo "profundizar en el trabajo iniciado por Ramón y Cajal hace más de 100 años", pionero en la descripción de el flujo de información en neuronas (que realizaba a mano), utilizando las herramientas disponibles hoy en día, que permiten "no sólo realizar una representación digital de las neuronas y sus sinapsis, sino simular el flujo de información que se produce entre ellas, y conservar y reutilizar los datos durante generaciones".

La infraestructura de supercomputación y el amplio ecosistema de software desarrollado en el marco de este proyecto fue imprescindible ya que la simulación se compone de miles de millones de ecuaciones para cada intervalo de 25 microsegundos.

Las simulaciones realizadas permitieron además desarrollar nuevas teorías que no habían sido posibles en base a la experimentación biológica, como la constatación de que existen múltiples mecanismos celulares y sinápticos que pueden alterar el estado de actividad cerebral, lo que podría dar lugar a nuevas formas de estudiar el procesamiento de información y los mecanismos de la memoria en estados cerebrales normales (vigilia, somnolencia y sueño), y algunos de los mecanismos en los estados anormales (epilepsia y otros trastornos cerebrales).

Según los investigadores, a pesar de que es la herramienta informática conseguida queda lejos de ser suficiente para reconstruir un mapa completo de los microcircuitos de todo el cerebro, es un primer paso fundamental para empezar a predecir muchos de los datos restantes necesarios para la simulación total.