Apuntes científicos desde el MIT

Apuntes científicos desde el MIT

Este Blog empezó gracias a una beca para periodistas científicos en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Boston, donde pasé un año aprendiendo ciencia con el objetivo de contarla después. Ahora continúa desde Nueva York buscando reflexiones científicas en otras instituciones, laboratorios, conferencias, y conversando con cualquier investigador que se preste a compartir su conocimiento.

El mayor proyecto neurocientífico de la historia

Por: | 11 de marzo de 2013

Rafael Yuste, by Pere Estupinya
Rafael Yuste, ideólogo del Brain Activity Map Project, en su laboratorio de la Columbia University
 

En septiembre de 2011 una cincuentena de neurobiólogos y nanofísicos se reunieron en la ciudad inglesa de Buckinghamshire para discutir posibles proyectos conjuntos. Entre ellos estaba el neurocientífico de la Columbia University Rafael Yuste, quien se presentó con la propuesta más ambiciosa siquiera imaginada: registrar la actividad de circuitos neuronales enteros a escalas de milisegundos, y eventualmente de cerebros completos.

A finales de los años 80 Rafael Yuste abandonó la Universidad Autónoma de Madrid en dirección a la Rockefeller University, donde bajo la dirección del premio Nobel Torsten Wiesel desarrolló una técnica llamada calcium imaging que permitía medir la actividad neuronal: cuando una señal eléctrica recorre una neurona ésta absorbe calcio de su exterior. Si se tiñe un área del cerebro con un colorante que cambia de color en presencia de calcio, entonces con microscopía óptica se podrá detectar cuando una neurona está activa y cuando no.

La técnica del calcium imaging se ha convertido en uno de los pilares de la neurobiología, y desde que hace 22 años Rafael Yuste publicó con ella su primera película de actividad neuronal, gran parte de su carrera científica se ha dedicado a refinarla para poder conseguir mayor precisión, resolución y amplitud de grupos neuronales estudiados.

Preparando la reunión en Buckinghamshire, Rafael pensó que era el momento de dar un gran salto cualitativo en la manera que tenemos de observar el cerebro: debíamos plantear un proyecto a gran escala para mejorar el calcium imaging y desarrollar nuevas técnicas de neuroimagen con las que, en lugar de como ahora hacer películas en dos dimensiones de la actividad de varios centenares de neuronas como máximo, registrar mapas 3D a gran resolución de la actividad del cerebro de un gusano C. elegans, una mosca Drosophila, y circuitos neuronales enteros del cerebro de ratones y primates.

En marzo de 2013, semanas antes de que su idea se convierta en el mayor proyecto neurocientífico de la historia, Rafael Yuste recuerda desde su laboratorio de la Columbia University: “cuando planteé el proyecto las primeras reacciones fueron negativas. La mayoría de los presentes pensaba que era una quimera. Pero de repente recibí un fuerte apoyo de George Church”. George Church es un prestigioso genetista de Harvard pionero de la biología sintética y considerado uno de los artífices del proyecto genoma humano. Rafael explica que Church se entusiasmó con la idea del Brain Activity Map (BAM), y viendo que todas las críticas eran de la misma índole que las que a ellos les plantearon en los 80 cuando propusieron secuenciar el genoma humano, las fue respondiendo una a una. “Nos decían que iba a ser demasiado caro, que tomaría mucho tiempo, que las técnicas actuales no lo permitían, que había cosas más importantes a hacer… pero George y yo íbamos dando respuesta a todo, y a medida que lo hacíamos, en realidad el entusiasmo crecía y la idea se hacía más fuerte y sólida”, recuerda con una ilusionada sonrisa Rafael Yuste.

Rafael Yuste estaba lanzado y decidió redactar un documento o white paper en el que se detallaban los objetivos básicos del proyecto y una propuesta de guía para realizarlo. Lo distribuyó con Church y otros investigadores, y tras terminar la sesión de tarde empezaron a ampliar dicho white paper con comentarios y nuevas ideas.

Entre los científicos involucrados estaba Miyoung Chun, vicepresidenta de La fundación Kavli, una de las entidades que auspiciaba el evento. La fundación Kavli financia investigaciones en las áreas específicas de nanociencia, astrofísica y neurociencia, y según Rafael días atrás había recibido una solicitud de la Casa Blanca pidiéndoles sugerencias sobre grandes proyectos científicos a emprender. “A Miyoung Chun le gustó mucho la idea del Brain Activity Map Project (BAM), nos pidió que trabajáramos el white paper con esmero para mejorarlo todo lo posible, y al cabo de unas semanas lo envió a la oficina de ciencia y tecnología de la casa blanca. A partir de entonces todo fue vertiginoso”, explica Rafael Yuste, añadiendo que “desde allí enviaron nuestro white paper a los National Institutes of Health (NIH), al Departamento de Defensa (DARPA) y a la National Science Fundation (NSF). Y cuanta más gente veía el documento, más entusiasmo se generaba”.

Rafael explica que en los últimos 12 meses, el equipo que han estado elaborando el BAM fueron convocados 7 veces en Washington DC, 4 en la misma casa blanca explicando y definiendo mejor el proyecto, y que la fundación Kavli ha organizado workshops en Santa Mónica, Washington DC y Caltech invitando a más de 100 expertos para debatir el BAM, ampliarlo, mejorarlo, perfilar objetivos y construir una hoja de ruta más detallada.

Pero la gran e inesperada sorpresa llegó el 12 de febrero de 2013, cuando durante su discurso sobre el estado de la Unión el presidente Barack Obama citó la investigación en neurociencia como ejemplo de “inversión en las mejores ideas”, y dijo literalmente que “hoy los científicos están mapeando el cerebro humano para entender los secretos del Alzheimer”. Minutos después del discurso, el director del NIH Francis Collins tuiteó “Obama menciona el #NIH Brain Activity Map en #SOTU” (State Of The Union).“Esto terminó de desbocarlo todo”, explica Rafael, “dio una nueva dimensión pública al proyecto, y desde entonces estamos preparando el posible anuncio oficial que, dependiendo de la agenda del presidente, podría ocurrir en un par de semanas”. 

Es precipitado hablar de cifras económicas y otros detalles, pero según Rafael se espera que el NIH, DARPA y NSF aporten una partida económica inicial para arrancar el BAM Project durante 2013, y se intente convencer al congreso de EEUU para que incluya el proyecto dentro de los presupuestos generales del estado a partir del 2014. “No sabemos el presupuesto total que se asignará al BAM. El proyecto genoma humano costó alrededor de 3 mil millones de dólares, y en principio el BAM debería ser mucho mayor. Lo que deseamos es que – como se hizo con el proyecto genoma humano- se incorpore en los presupuestos para que sea financiado con dinero específico sin quitarlo de otros lados de la ciencia. Esta es una preocupación”. Rafael tampoco sabe qué rol tendrá él mismo en el proyecto. “Cuando se haga el anuncio oficial, el trabajo de los 11 científicos que hemos desarrollado el BAM habrá terminado. El proyecto pasará a manos del NIH y será gestionado por ellos. Se rumorea que el propio Francis Collins podría ser su director, pero no se sabe, ni sé qué papel me pedirán que yo tenga. Lo que sí puedo decir es que todo ha fluido rapidísimo y de manera muy limpia y colaborativa desde que propuse la idea en Buckinghamshire. Es un momento histórico”, concluye Rafael con claros signos de intentar contener la emoción.

 

Cómo mapear la actividad de circuitos neuronales

En este video realizado con la técnica del calcium imaging se puede observar la actividad de unas 150 neuronas en un fragmento de 400x400 micras de la corteza visual del cerebro de un ratón, mientras está viendo un documental de nauraleza de la BBC en una pantalla.

  

Los puntos blancos son los cuerpos neuronales, que se iluminan cuando el calcio entra en las células y reacciona con el colorante con que se ha teñido esa parte del cerebro del ratón. Las dendritas y los axones no se distinguen. Es un plano en dos dimensiones, se ha realizado en un ratón vivo pero al que se le ha tenido que retirar una parte del cráneo para poder observar con el microscopio óptico de dos fotones, y la velocidad es un poco retardada porque la señal de calcio es lenta (el calcio tarda un tiempo en entrar, reaccionar con el colorante y liberarse de nuevo). La técnica de calcium imaging es muy útil, ha mejorado drásticamente en las últimas décadas, y Rafael dice “hemos llegado a registrar un conjunto de 4000 neuronas a la vez, lo cual creo que es lo máximo conseguido en el mundo”. Pero queda todavía lejos del objetivo final del BAM: mapear simultáneamente millones de neuronas en lugar de centenares, hacerlo en 3 dimensiones en lugar de en un corte horizontal, diseñar técnicas que registren la actividad a tiempos más rápidos, incrementar la resolución para poder visualizar más partes de la neurona, construir métodos microscópicos que permitan medir estos patrones de actividad neuronal de manera no invasiva a través del cráneo, y eventualmente no estudiar sólo un ratón sino comparar los patrones de actividad neuronal de una persona sana con los de otra esquizofrénica, epiléptica, con principio de Alzheimer, en pleno proceso de aprendizaje, o durante cualquier otra función cerebral normal o patológica. 

“Para esto requerimos también un descomunal potencial informático. Y además de mejorar las técnicas existentes, crear muchas de nuevas que todavía no hemos ni imaginado”, explica Rafael mostrando un gran paralelismo con el proyecto genoma humano.

Yuste pereEn realidad, para entendernos, el Brain Activity Map Project no pretende crear un único mapa de actividad del cerebro humano. El verdadero objetivo es desarrollar nuevas técnicas para que, de la misma manera que ahora se puede secuenciar un genoma humano completo por mil dólares, dentro de 15, 20 o 30 años sea factible mapear la actividad de circuitos neuronales completos a un costo asequible. De esta manera, igual que ahora en se analizan segmentos de ADN asociados a una enfermedad u otra, en el futuro un neurólogo podrá analizar y comparar la actividad normal y patológica de áreas concretas del cerebro de sus pacientes. “Y en una segunda fase, quizás poder llegar a manipular esta actividad cerebral anómala con técnicas de optogenética, optoquímica, u otras que descubramos”, señala Yuste.

Pero más allá del ámbito estricto de la medicina, el BAM nos llevará a entender mejor cómo funciona el cerebro. “En neurobiología todavía estamos en pañales”, dice Rafael, citando las limitaciones de las técnicas actuales. “En estos momentos los escáneres de fMRI nos permiten medir actividad a escalas muy grandes del cerebro, pero con poquísima resolución. Por otro lado con neurofisiología podemos rastrear neuronas individuales, pero no hay manera de ver qué neuronas concretas de un circuito cerebral se activan antes y después cuando un ratón está oliendo, un gusano moviéndose o una persona aprendiendo. Si tenemos la mínima pretensión de entender el funcionamiento del cerebro humano, necesitamos registrar esta actividad neuronal a gran resolución, escalas de tiempo de milisegundos, mapear circuitos cerebrales completos, y poder compararlos en diferentes estados funcionales”.

El BAM se enmarca dentro del reto de comprender el cerebro no sólo a nivel de sinapsis o actividad en grandes áreas, sino entender esta escala intermedia de conexiones de circuitos neuronales que todavía permanece oculta a las técnicas actuales. “El cerebro funciona por propiedades emergentes, que sólo podremos comprender viendo cómo se conectan las redes neuronales y cómo se activan de manera dinámica durante funciones específicas. Si existe algún código de actividad neuronal, lo descubriremos con el BAM”. 

Es en este punto cuando se distingue el alcance global del proyecto. Iniciativas como el proyecto Connectome o el Brainbow Project también plantean mapear el cerebro, pero desde una perspectiva estructural. Ambas iniciativas buscan crear mapas para distinguir cómo las diferentes neuronas y áreas cerebrales están conectadas entre sí, pero en realidad son imágenes estáticas que no reflejan qué está ocurriendo en dichas redes. El BAM en cambio plantear producir videos de “functional connectomics” que visualizarán la actividad neuronal a nivel funcional. Yuste explica que “con los mapas estructurales vemos fotografías estáticas de conexiones, pero lo que queremos ver es la película. En realidad son complementarias, pero si tenemos que priorizar alguna, sin duda la función es mucho más útil.”

El Brain Activity Map liderado por Yuste se dio a conocer inicialmente en la revista Neuron, y la semana pasada se publicó un pequeño resumen en Science. Todavía está sujeto a cambios, pero en principio los primeros objetivos serán medir la actividad de circuitos completos en gusanos, luego en moscas, pez cebra, ratones, primates, y en paralelo, empezar a mapear cerebros humanos. “Estamos hablando de cómo mínimo 15 años, que podrían ser 30, y eso contando con cientos de laboratorios trabajando en conjunto en todo el mundo”, explica Yuste. Si como es de esperar durante la segunda quincena de marzo la casa blanca anuncia su impulso al BAM, se convertirá en el proyecto neurocientífico más grande de la historia, equivalente a la secuenciación del genoma humano en biología, a la construcción del LHC en física, o el viaje a la luna en exploración espacial. Los autores del artículo de Science cierran con la frase “Creemos que cuando grupos apasionados y dedicados de personas se juntan para emprender estos retos tan extraordinarios, se logran grandes beneficios para la humanidad”. Algo parecido consigue el propio cerebro, conectando de manera correcta simples e inconscientes neuronas. 

********

Ladron mini blogContacto: pere@mit.edu / Twitter: @Perestupinya

Facebook group: Apuntes Científicos desde el MIT

Web: www.elladrondecerebros.com

 

Hay 14 Comentarios

Magnífico

Tengo una confusión, hasta donde sé el cerebro funciona como un sistema emergente donde se genera información adicional no reducible a sus componentes, entonces ninguno de estos proyectos está enfocado en resolver este aspecto, el ocupar los paradigmas de la informática en el estudio del cerebro es un retroceso en la neurociencia, el cerebro es un sistema "complejo" y un supercomputador cualquiera sea su potencia y programación es un sistema "complicado", hay una enorme diferencia en esto

Acabo de leer su libro EL LADRON DE CEREBROS. Este libro, Pere, debe ser leido por todos los estudiantes del mundo, como toda persona que quiera actualizarse sobre el estado actual de la ciencia. Felicitaciones, su aporte a la difusion del conocimiento es muy grande.

Me temo que se equivoca... el mayor proyecto de investigación de neurociencia ya esta en curso y con una dotación de mil millones de Euros e implicará a 200 cientificos de las mejores universidades europeas http://www.humanbrainproject.eu/ y mientras los norteamericanos no aprueben algo de momento solo son elucubraciones.

La gente que se embarca en estos proyectos, y tú, Pere, que nos lo cuentas, sois lo mejor del mundo.
¡Gracias y mil veces gracias!

Bien por los cientificos españoles, sigueme en http://www.mexicomola.com/

La investigación del cerebro humano puede durar cinco años ocinco mil pero llegaráun día en que todas las enfermedades la longevidad, la juventud, la sabiduria , imncluso la ceguera o la sordera quedarán eliminadas, lo único malo es que desaparecera la intimidad de las personas pues cualquier policia juez o incluso niño portando un aparato como si fuera una maquina de fotografiar podrá saber lo que estamos pensando.
Sobre este tema tengo escrito un relato fantástico.

http://www.antoniolarrosa.com

Gran artículo e increíble proyecto el de nuestro paisano en USA, algo que aquí en España no atrae tanto... es una pena...

Me alegro de volver a leerte, tus articulos me dan la oportunidad de llegar a ese estado de ocupacion mental en el que el tiempo simplemente desaparece.
Secundo a Juan Estellé.
Un saludo

Gran entrada Pere. Como siempre, genial.
Por favor, danos de comer mas a menudo, que algunos tenemos mucha hambre de tus aportaciones..

Saludos cordiales.

Tanto tiempo sin leer nada tuyo.Este artículo nos reconforta, pensando en cuantos seres podrán tomar beneficio de estos conocimientos. Tengo un familiar al que le han detectado un tumor quizás en el cerebelo,en zona muy profunda. Tiene afectada la zona del habla,pero aún conserva su lucidez. Muy cordiales saludos, Pere !

Tu HIGADO es la CLAVE para ELIMINAR LA GRASA. ►¡¡IMPACTANTE VIDEO!!◄
-----------------------------------------Mira El Video AQUI: ▼▼▼ (Haz click en mi nombre)

En eso menesteres deben estar en España en labor y en el trabajo no en la corrupción,de su dirigente,me alegro que aya persona inteligente y trabajadoras,aunque tenga que marcha fuera de su país(espero que tenga mucha suerte).

Tu país necesita tu ayuda en un nuevo juego de estrategia militar, economía y política online. Registrate en gratis en [ http://bit.ly/123Estra ] desde tu navegador.

Los comentarios de esta entrada están cerrados.

Sobre el autor

Pere Estupinya

. Soy químico, bioquímico, y un omnívoro de la ciencia, que ya lleva cierto tiempo contándola como excusa para poder aprenderla.
Sígueme en Facebook o a través de mi web pereestupinya.com.

Libros

S=EX2 S=EX2
En esta nueva aventura científica que recorre desde laboratorios y congresos de medicina sexual hasta clubs de sadomasoquismo o de swingers, Pere Estupinyà nos ofrece la obra más original y completa que ningún autor hispanohablante haya escrito nunca sobre la ciencia de la sexualidad humana.

El ladrón de cerebros La ciencia es la aventura más apasionante que puedas emprender.
En El Ladrón de Cerebros, Pere Estupinyà se infiltra en los principales laboratorios y centros de investigación del mundo con el objetivo de robar el conocimiento de los verdaderos héroes del siglo XXI —los científicos— y compartirlo con sus lectores. El Ladrón de Cerebros

Facebook

El País

EDICIONES EL PAIS, S.L. - Miguel Yuste 40 – 28037 – Madrid [España] | Aviso Legal