Mapa cerebral 3D extremadamente detallado de 1.400 terabytes

Seis capas de neuronas excitadoras codificadas por colores según su profundidad. Crédito: Google Research y Lichtman Lab

Un esfuerzo de colaboración entre Harvard y Google ha dado lugar a un gran avance en la ciencia del cerebro, al producir un gran mapa 3D de un pequeño segmento del cerebro humano, que revela interacciones neuronales complejas y prepara el escenario para mapear todo el cerebro de un ratón.

Un milímetro cúbico de tejido cerebral puede no parecer mucho. Pero considerando que un pequeño cuadrado contiene 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos y 150 millones de sinapsis, para un total de 1.400 terabytes de datos, investigadores de Harvard y Google acaban de lograr algo enorme.

Un equipo de Harvard dirigido por Jeff Lichtman, profesor Jeremy R. Knowles de biología molecular y celular y recientemente nombrado decano de la facultad de ciencias, ha co-creado con investigadores de Google la mayor reconstrucción 3D con resolución sináptica de una parte del cerebro humano. hasta la fecha, que muestra con gran detalle cada célula y su red de conexiones neuronales en un trozo de corteza temporal humana de aproximadamente la mitad del tamaño de un grano de arroz.

Avances tecnológicos en neurociencia

La impresionante hazaña, publicada en la revista Ciencia, es el último de una colaboración de casi 10 años con científicos de Google Research, que combina las imágenes del microscopio electrónico de Lichtman con algoritmos de inteligencia artificial para codificar por colores y reconstruir el cableado extremadamente complejo del cerebro de los mamíferos. Los tres primeros coautores del artículo son el ex investigador postdoctoral de Harvard Alexander Shapson-Coe; Michał Januszewski de Google Research y el investigador postdoctoral de Harvard Daniel Berger.

El objetivo final de la colaboración, apoyada por la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de SaludImplica crear un mapa de alta resolución del cableado neuronal de todo el cerebro de un ratón, lo que implicaría aproximadamente 1.000 veces la cantidad de datos que acaba de producir el fragmento de 1 milímetro cúbico de corteza humana.

Información del último mapa cerebral

«La palabra 'fragmento' es irónica», dijo Lichtman. “Un terabyte es, para la mayoría de la gente, gigantesco y, sin embargo, un fragmento de un cerebro humano –sólo una pequeña parte de un cerebro humano– sigue siendo miles de terabytes”.

El último mapa publicado en Science contiene detalles nunca antes vistos de la estructura del cerebro, incluido un raro pero poderoso conjunto de axones conectados por hasta 50 sinapsis. El equipo también notó rarezas en el tejido, como una pequeña cantidad de axones que forman extensos verticilos. Dado que la muestra se tomó de un paciente con epilepsia, no están seguros de si estas formaciones inusuales son patológicas o simplemente raras.

El campo de la conectómica.

El campo de Lichtman es la «conectómica», que, similar a la genómica, busca crear catálogos completos de la estructura del cerebro, hasta las células individuales y el cableado. Estos mapas completos allanarían el camino hacia nuevos conocimientos sobre la función y las enfermedades cerebrales, sobre los cuales los científicos todavía saben muy poco.

Los algoritmos de inteligencia artificial de última generación de Google permiten la reconstrucción y el mapeo del tejido cerebral en tres dimensiones. El equipo también desarrolló un conjunto de herramientas disponibles públicamente que los investigadores pueden utilizar para examinar y anotar el conectoma.

Direcciones futuras

«Dada la enorme inversión invertida en este proyecto, era importante presentar los resultados de una manera que todos los demás pudieran beneficiarse», dijo Viren Jain, colaborador de Google Research.

A continuación, el equipo observará la formación del hipocampo del ratón, que es importante para la neurociencia por su papel en la memoria y las enfermedades neurológicas.

Referencia: “Un fragmento de petavoxel de la corteza cerebral humana reconstruyó un nanoescala resolución” de Alexander Shapson-Coe, Michał Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuohong Wang, Jeremy Maitin-Shepard, Neha Karlupia, Sven Dorkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Leavitt, Dongil Lee, Jakob Troidl, Forrest Collman, Luke Bailey, Angerica Fitzmaurice, Rohin Kar, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Carena, David Aley, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg, Viren Jain y Jeff W. Lichtman, 10 de mayo de 2024, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adk4858