Conectómica, una aproximación al estudio del cerebro

El interés por la organización de las conexiones neurales no es nuevo, hace más de un siglo que la neurociencia tiene como uno de sus objetivos el llegar a trazar el mapa de conexiones neurales que subyacen a las funciones mentales superiores. Aunque, si hubiera que poner fecha al nacimiento de la conectómica, esta sería en 1972, cuando Brenner y su equipo comenzaron el estudio del mapa de conexiones sinápticas del gusano C. Elegans, tarea que les llevó unos 14 años. Este gusano tiene unas 300 neuronas, esto nos da una indicación sobre la magnitud de la tarea de reconstrucción del mapa sináptico del cerebro de cualquier mamífero. No obstante, las metas marcadas por los investigadores de este campo hoy día, parecen centrarse en la reconstrucción de zonas concretas como el hipocampo, que no es que sea tampoco es una empresa pequeña.

La conectómica se puede definir como la disciplina dentro de la neurociencia que busca trazar el mapa de conexiones entre neuronas, es decir, describir las redes de conexiones sinápticas que subyacen a la organización estructural y funcional del cerebro.

En el cerebro no se deja nada al azar ni se guarda nada que no haga falta, ya que hay poco espacio en la caja craneana, por lo que todo lo que se encuentra ahí dentro está porque es importante y cumple alguna función primordial. Éste es el caso de la sustancia blanca, que aunque había recibido poca atención hasta hace poco, hoy día cobra especial importancia por la nueva visión que tenemos del funcionamiento del cerebro, lo que la ha convertido en objeto de estudio y motor de desarrollo de nuevas y prometedoras técnicas de visualización y representación del cerebro, como el Diffusion Tensor Imaging (DTI), Diffusion Functional MRI (DfMRI), o High Angular Resolution Diffusion (HARDI), etc…

La conectómica viene a plantear un nuevo paradigma sobre el funcionamiento del cerebro en un intento de desbancar al paradigma dominante en los últimos tiempos, que venía proponiendo un funcionamiento cerebral modular hiperespecializado, en el que determinadas regiones cerebrales detentan o controlan, también, determinadas funciones cerebrales o procesos cognitivos. Frente a esto, la conectómica propone un funcionamiento y una organización cerebral basada en redes o vías interconectadas altamente plásticas, que serían producto de la interacción entre la experiencia  y la carga biológica individual. De esta forma, y por ejemplo, la memoria ya no sería una función únicamente dependiente de las estructuras clásicamente relacionadas con la memoria, como la región medial de los lóbulos temporales, etc…, sino que sería función de una red neuronal encargada al mismo tiempo del procesamiento de la información y de su almacenamiento. En concreto, sobre el funcionamiento de la memoria se puede consultar el paradigma reticular de la memoria cortical de Joaquín Fuster.

Tal y como está el estado de la cuestión, el estudio del cerebro ha sobrepasado a la neurociencia tradicional, dominada por médicos, neurólogos y anatomistas. Hoy día, no sólo en la neurociencia en general, sino también en la conectómica en particular, convergen profesionales de ramas científicas y técnicas muy diversas y numerosas. Por ejemplo, trabajan mano a mano matemáticos, físicos, ingenieros de diversos tipos, médicos, biólogos, neurólogos, neuropsicólogos, programadores informáticos, o diseñadores gráficos. La necesidad de esta variedad de personal radica en el imparable avance de la tecnología, cada vez son más numerosos y complejos los instrumentos o la tecnología que se emplea en el estudio del Sistema Nervioso Central. Así por ejemplo, entre los instrumentos o la tecnología que se emplea en conectómica se encuentran la microscopía electrónica, la magnetoencefalografía, la resonancia magnética (funcional y DTI), redes biológicas y modelos computacionales.

Hoy día, la conectómica es un área en alza, y lo demuestra su presencia en los medios, redes sociales, y el apoyo económico que reciben estas investigaciones. No es de extrañar, el objetivo que persigue bien lo vale, aunque todavía sus metas están muy lejanas. Un ejemplo de este tipo de investigaciones es la que ha iniciado The National Institutes of health Blueprint for Neuroscience Research, en la que se han invertido entre 30 y 40 millones de dólares, según la fuente, para que se lleve a cabo el Human Connectome Proyect (HCP), con el que se pretende, mediante técnicas de imagen cerebral, representar un mapa de los circuitos neurales de un cerebro adulto sano. Para este proyecto, se han creado dos consorcios que trabajan de forma colaborativa, el formado por Laboratorio de Neuroimagen de la Universidad de California y el Martino´s Center del Hospital General de Massachusetts, y el formado por  la Universidad de Washington y la de Minnesota.

A partir de aquí expongo un resumen de la metodología y tecnología que se emplea en el HCP, puede ser un poco farragoso y no interesarle a todo el mundo, pero ahí va…

En el HCP, en su labor de mapear el conectoma humano, tomaron una muestra de 1200 sujetos consistente en 400 pares de gemelos y sus hermanos no gemelos, con el fin de controlar mejor el papel de la influencia genética frente a la ambiental. En la selección de la muestra emplearon unos criterios de inclusión y exclusión que permitían reclutar una muestra sana representativa de sujetos de entre 22 y 35 años. De esta muestra extrajeron información genética que permitiría a los investigadores buscar efectos concretos de las variables genéticas específicas sobre los patrones de conectividad cerebral en adultos sanos, por ejemplo, mediante estudios de asociación de fenotipos clínicos.

También se tomaron medidas conductuales con el fin de tener datos de fenotipos con los que  comparar con las imágenes cerebrales y los genotipos. La evaluación conductual se llevó a cabo mediante la NIH Toolbox, que se suele emplear como instrumento breve para la evaluación de dominios cognitivos (CI verbal, memoria de trabajo, la función ejecutiva, la atención, el lenguaje y la velocidad de procesamiento), emociones (afecto negativo, afecto positivo, el estrés y el afrontamiento, y las relaciones sociales), función de motor (locomoción, destreza, fuerza , y la resistencia), y la sensación (oído, gusto, tacto y olfato). Además del Toolbox también tomaron medidas de atención, memoria episódica, procesamiento visual espacial, y el procesamiento emocional de caras, la Achenbach Adult Self Report, y una variante de razonamiento de matrices como una medida de la inteligencia fluida y la medida NEO-FFI-60 de la personalidad, el test de Farnsworth la visión de color, la prueba de Marte de la sensibilidad al contraste visual, la prueba de EVA de agudeza visual, y una medida de la impulsividad. El hecho de tomar una muestra de conductas tan amplia permitiría al grupo de investigación gran variedad de comparaciones y correlaciones entre comportamiento y conectividad cerebral.

En cuanto a la tecnología de difusión por Resonancia Magnética (RM) que emplean en el estudio, las Universidades de Washington y la de Minnesota emplean HARDI, o High-Angular Resolution Diffusion Imaging. Su plan consistía en pasar por RM de 3T a los 1200 sujetos, y a la vez, a 200 de ellos pasarlos por una de 7T. Se decantan por el empleo masivo de 3T argumentando que la tecnología de los escáneres de 3T está más madura y facilita el trabajo frente a la de 7T que aún debe desarrollarse un poco más. Incluso sugieren que quizás tengan la posibilidad de probar un escáner de 10,5 T.

En cuanto al escáner de 3T, el grupo Washington / Minnesota está utilizando un escáner 3T Siemens especialmente hecho con una fuerza de gradiente de 100 mT / m, mientras que el equipo de MGH / UCLA se emplea uno con un gradiente de 300 mT / m. Este incremento de gradiente con respecto a los aparatos que se emplean en la clínica diaria resulta en una mayor y mejor señal. El escáner de 7T es utilizado por la UMinn.

También emplean fMRI, tan con los sujetos en reposo (R- fMRI) como con los sujetos realizando alguna tarea (T- fMRI). Durante el estudio también realizan RM estructural, empleando equipos de 3T y 7T, combinando Tw1 con Tw2 scans. Las sesiones de trabajo de RM con los sujetos consistía en llevar a cabo un set de escáner estructural durante 20 minutos, una sesión de imagen de difusión de una hora, y dos sesiones de una hora de fMRI, alternando sesiones de media hora de R-fMRI y media hora de T- fMRI.

A las técnicas anteriores también planearon añadirle técnicas electrofisiológicas como Magnetoencefalografía y Electroencefalografía, que junto a todo lo anterior se realizarán con 100 sujetos. La MEG/EEG son técnicas complementarias a la fMRI para el estudio de procesos neuropsicológicos, y en este estudio también optan por realizar el mismo procedimiento con ambas técnicas, es decir, tomar registros de la actividad tanto en reposo como durante la realización de una tarea (R-MEG/EEG y T-MEG/EEG).

Los autores describen dos escalas del conectoma, un “macro-conectoma” que se puede estudiar mediante técnicas de imagen in vivo y que proporcionaría información sobre la conectividad a larga distancia entre regiones cerebrales, y un “micro-conectoma” que nos ilustraría acerca de conectividad entre neuronas, sus axones, dendritas, y sus sinapsis. Aunque este nivel micro aún está restringido al estudio en laboratorios animales y se emplearían microscopios electrónicos de gran resolución.

                                                                                                                           Fdo: neurobase

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