Un conectoma es el mapa completo de las conexiones neuronales en un cerebro. A veces se lo conoce como un "diagrama de cableado" de las conexiones moleculares entre las neuronas, comerciando con la analogía de un cerebro a un dispositivo electrónico, donde los axones y las dendritas son cables y los cuerpos neuronales son componentes.
Dependiendo del científico, el término conectoma puede o no incluir estados moleculares relevantes para el aprendizaje en cada conexión sináptica (el "sinaptoma") y cualquier cambio relevante para el aprendizaje en el núcleo de cada neurona (el "epigenoma"). A nivel de cerebros completos, puede haber conectomas de mosca, conectomas de ratón, conectomas humanos, conectomas de ballena, etc. También podemos hablar de conectomas de subsistemas cerebrales específicos, como los conectomas del hipocampo, los conectomas talámicos y los conectomas corticales.
Hasta la fecha, el único organismo del que tenemos un conectoma completo es una versión del gusano redondo C. elegans, un organismo de un milímetro y medio con una red neuronal de trescientas neuronas y unas siete mil conexiones sinápticas. Actualmente no tenemos mapas completos de sinaptoma o epigenoma para C. elegans, ni un conocimiento completo de lo que deben contener estos mapas.
La construcción del conectoma de C. elegans tomó una docena de años de tediosa mano de obra científica; cada neurona se identificó individualmente, se determinó su ubicación precisa y se rastrearon y catalogaron sus proyecciones a otras neuronas. Sorprendentemente, la única herramienta disponible para realizar este trabajo era el reconocimiento y discriminación visual manual; Los científicos individuales tenían que seguir las vías neuronales del gusano con sus propios ojos, rastreando sus intrincados caminos a través de infinitas imágenes microscópicas.
Un cerebro humano tiene cien mil millones de neuronas y unos setecientos billones de conexiones sinápticas, una estructura increíblemente compleja que es aproximadamente once órdenes de magnitud más compleja en su conectividad que C. elegans. Construir un conectoma humano completo es inconcebible con la tecnología existente, por dos razones.
En primer lugar, si bien los microscopios electrónicos modernos son lo suficientemente potentes como para obtener imágenes de las características a escala nanométrica del cerebro humano, actualmente no existen suficientes microscopios electrónicos para hacer que la obtención de imágenes del volumen relativamente grande de tejido en un cerebro humano sea remotamente factible. En segundo lugar, el trabajo de interpretar estas imágenes y rastrear las proyecciones que emanan de cada neurona todavía lo realizan los humanos haciendo clic en las imágenes en tiempo real.
Construir e interpretar incluso un solo conectoma humano requerirá legiones de microscopios electrónicos dedicados, junto con inteligencia artificial que pueda asumir la carga de rastrear visualmente las proyecciones neuronales y reconocer y catalogar las sinapsis.
Estos son desafíos serios que requieren voluntad e ingenio, pero no son imposibles. De hecho, la microscopía electrónica está mejorando exponencialmente y reduciendo su costo, con prototipos cada vez más rápidos y potentes en el horizonte.
Se están desarrollando microscopios de estado sólido que cuestan una quinta parte de los microscopios actuales, y se han creado microscopios masivamente paralelos con unos pocos cientos de haces por sistema, cada uno capaz de obtener dos órdenes de magnitud más de procesamiento de imágenes y tejido que los modelos actuales. Al mismo tiempo, en muchos laboratorios de todo el mundo se busca el uso de la inteligencia artificial para la discriminación visual sofisticada y el rastreo de circuitos. Hay muchas razones para el optimismo.
¿Por qué construir un conectoma humano?
Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que las características del comportamiento mental humano, desde habilidades generales como la inteligencia hasta aflicciones como la depresión y la esquizofrenia, se correlacionan con características específicas del cerebro. Sin embargo, hasta la fecha han carecido de las herramientas de precisión necesarias para investigar a fondo estas hipótesis.
Una vez equipados con la capacidad de construir conectomas humanos, los científicos podrán abordar de manera efectiva preguntas fundamentales sobre cómo la fisiología del cerebro humano se correlaciona con las habilidades y los comportamientos. La comparación de los diagramas de cableado de diferentes cerebros humanos revelará mucho sobre los mecanismos que subyacen tanto a la excepcionalidad mental como a la patología. Esto, a su vez, puede conducir al desarrollo de tratamientos avanzados y específicos, como mejores fármacos de diseño, intervenciones quirúrgicas precisas y prótesis neurales personalizadas.
Hay una razón aún más notable para construir conectomas humanos. Muchos neurocientíficos hoy en día creen que los recuerdos se almacenan principalmente en las sinapsis entre las neuronas y, en un grado más limitado, en los cambios nucleares en los cuerpos celulares de cada neurona. Ellos plantean la hipótesis de que se forman nuevos recuerdos cuando estas sinapsis se fortalecen y debilitan, y cuando se forman nuevas sinapsis entre las neuronas.
Hasta la fecha, esta teoría ha sido difícil de probar, pero a medida que madure el campo de la conectómica, los científicos finalmente podrán investigar los fundamentos neuronales del almacenamiento y la recuperación de la memoria. La Brain Preservation Foundation tiene como objetivo tanto facilitar el logro de estas tecnologías como prepararse para su llegada mediante el desarrollo de la tecnología.
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