En las últimas décadas, los neurocientíficos han invertido muchos recursos en intentar descifrar cómo se organiza el cerebro, aunque el interés por conocer cómo funciona la compleja red de neuronas y regiones interconectadas nació mucho antes de tener medios tecnológicos para estudiarlo.
Hasta hace relativamente poco, poder llevar a cabo un mapa del cerebro preciso a nivel celular era algo prácticamente imposible. Sin embargo, un equipo internacional de investigadores ha desarrollado un sistema de inteligencia artificial que cambia por completo este panorama.
Estos científicos han conseguido crear uno de los mapas del cerebro de ratón más detallados hasta el momento y estos resultados abren muchas puertas para poder comprender mejor otros aspectos como, por ejemplo, determinadas patologías. En este artículo explicamos los detalles de la investigación y sus implicaciones.
¿Por qué es tan difícil “dibujar” el cerebro?
Si bien es cierto que hoy en día ya disponemos de mapas cerebrales bastante detallados, la mayor parte de ellos se basa en observaciones anatómicas. Es decir, en aquellas estructuras que se pueden ver en un microscopio o mediante técnicas de imagen.
De esta forma, los mapas que hemos conocido hasta el momento se basan en la interpretación humana. Es importante tener en cuenta que el cerebro no se organiza únicamente por su forma o estructura, sino que también debemos tener presentes los diferentes tipos de células y las moléculas que lo componen.
La realidad es que dos regiones cerebrales que bajo el microscopio pueden tener una apariencia similar, podrían estar compuestas de células con funciones totalmente distintas. De la misma forma, podría darse al revés: dos zonas con apariencia diferente podrían compartir patrones moleculares similares.
Precisamente por esto, los descubrimientos y la herramienta que han desarrollado el equipo de científicos dirigido por A. Lee son tan revolucionarios.
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¿Cómo consiguieron crear el mapa?
Investigadores de la Universidad de California en San Francisco (UCSF) y el Instituto Allen han conseguido una potente unión entre la neurociencia y la inteligencia artificial (IA) que ha permitido crear uno de los mapas más detallados del cerebro del ratón hasta la fecha.
El equipo de investigadores diseñó un modelo de IA, conocido como CellTransformer que ha conseguido identificar hasta 1300 regiones y subregiones cerebrales. Para ello, se basa únicamente en datos moleculares y celulares, sin depender de ningún tipo de anotación humana previa.
Gracias al entrenamiento que le dieron a CellTransformer, el nuevo mapa incluye subregiones del cerebro que no se habían explorado nunca antes. Esto sucede puesto que el modelo puede identificar automáticamente dichas regiones a partir de conjuntos masivos de datos de transcriptómica espacial.
Esta técnica permite ver qué genes están activos en cada parte del tejido (cerebro, piel, tumor, etc.) sin perder la ubicación de las células. Si bien es cierto que la técnica revela la ubicación de ciertos tipos de células en el cerebro, no clasifica las regiones cerebrales según su composición. Es decir, permite saber qué células y genes hay en cada punto del tejido, pero no dice “cómo se llaman” ni delimita las regiones cerebrales.
Y aquí es donde entra la IA analizando los grupos de células por proximidad y similitud molecular. Además, los puede juntar en grupos más grandes y detectar patrones que serían imperceptibles para el ojo humano.
Como resultado, los investigadores obtuvieron un mapa tridimensional, basado en datos, que es capaz de diferenciar el cerebro del ratón con una precisión y detalle inéditos. Al comparar los resultados obtenidos por la IA con lo que ya se conocía, se observó que había una alta concordancia con el marco de coordenadas comunes (CCF, en inglés).
¿Qué implica poder “mapear” el cerebro a este nivel?
El hecho de que los hallazgos de la IA tuvieran un alto nivel de concordancia con el marco de coordenadas comunes creado anteriormente por el Instituto Allen animó a los investigadores a considerar que los nuevos descubrimientos también podrían ser biológicamente significativos.
Estos hallazgos son cruciales porque no se trata de tener un mapa más “bonito” o simplemente más detallado del cerebro, sino que se trata de comprender en profundidad el lenguaje celular del cerebro. Cada tipo de célula nerviosa tiene su propio repertorio de genes activos, una forma de expresarse y un papel concreto dentro de la red neuronal.
Conocer y comprender la distribución real de las células, permite estudiar de forma precisa las funciones cerebrales, las enfermedades y las interacciones celulares, entre otros aspectos.
Además, el CellTransformer podría ser una herramienta realmente útil para explorar otros órganos y estructuras tumorales. Al tratarse de inteligencia artificial, puede adaptarse a las necesidades humanas y aprender a realizar mapas precisos de lo que se requiera.
Más allá del cerebro de ratón
Aunque no podemos perder de vista el hecho de que este estudio se ha llevado a cabo con ratones, es importante tener en cuenta que esta metodología se podría adaptar para ser aplicada a otros organismos.
Tal y como mencionábamos previamente, los autores del estudio plantean que la herramienta que han desarrollado podría ser entrenada para aplicarla a otros órganos. Tener este tipo de información sobre el corazón, los pulmones, el hígado, etc., y sobre los tumores cancerígenos sería realmente importante.
La combinación de los datos que ya se tienen más los que aporta la IA podría ayudar a descubrir subestructuras que determinen una mayor vulnerabilidad, factores de riesgo o incluso mejor respuesta a los tratamientos.
Sin duda alguna, los avances tecnológicos aplicados a la ciencia son de crucial importancia para continuar mejorando y atendiendo las necesidades específicas de forma precisa y temprana. En este sentido, las nueva aportaciones del estudio y el modelo de IA podrían estar vinculadas también al desarrollo de terapias específicas que se dirijan a las células afectadas.
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