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Abriéndose camino por el cerebro

MADRID – Nuestros cerebros son como un bosque tupido -un terreno complejo y aparentemente impenetrable de neuronas interactivas que media entre la cognición y el comportamiento-. El gran desafío consiste en descubrir sus misterios; es decir, averiguar cómo están estructuradas y mutuamente conectadas las neuronas. ¿Cuán cerca estamos de ese objetivo?

En términos generales, el intercambio de información entre los miles de millones de neuronas que conforman el bosque neuronal ocurre a través de dos tipos de estructuras altamente especializadas: sinapsis químicas (la mayoría) y las llamadas uniones comunicantes (un sustrato de una clase de sinapsis eléctrica). La transmisión sináptica química implica la liberación de moléculas específicas, neurotransmisores, que se propagan a través del espacio intercelular e interactúan con receptores específicos ubicados en una neurona adyacente. En la transmisión eléctrica mediada por las uniones comunicantes, las membranas del plasma de las neuronas adyacentes están separadas por un espacio de aproximadamente dos nanómetros (dos billonésimas partes de un metro), pero contienen canales pequeños (las uniones comunicantes) que conectan el citoplasma de las neuronas adyacentes, lo que permite la difusión de moléculas pequeñas y el flujo de corriente eléctrica.

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El principal problema cuando se analiza el cerebro es la extrema complejidad de sus conexiones sinápticas. Una red muy densa de procesos ocupa el espacio entre los cuerpos celulares de las neuronas, la neuroglia (células que sustentan y protegen las neuronas) y los vasos sanguíneos. Este espacio (el neuropilo) representa el 90-98% del volumen de la corteza cerebral humana, y se calcula que se producen mil millones de sinapsis por milímetro cúbico de neuropilo.

Como si eso no complicara lo suficiente la tarea de quienes mapean el cerebro, se ha observado una amplia variedad de relaciones sinápticas. Y un neurotransmisor puede dispersarse y actuar no sólo en otros contactos sinápticos, sino también en receptores extrasinápticos. De la misma manera, no toda transmisión eléctrica está mediada por uniones comunicantes, y estas formas implican diferentes estructuras especializadas. Por otra parte, las interacciones eléctricas se producen entre elementos neuronales íntimamente yuxtapuestos sin especializaciones obvias de la membrana.

Es más, se ha sugerido que las células gliales participan en el procesamiento de información a través de sus señales bidireccionales con las neuronas. Y ahora sabemos que la actividad de los circuitos neuronales está fuertemente influenciada por los neuromoduladores (como la dopamina, la serotonina y el acetilenocolino), que son segregados por un pequeño grupo de neuronas y se esparcen a través de amplias regiones del sistema nervioso. Las neurohormonas, liberadas por las células neurosecretoras, también tienen un efecto en muchas regiones cerebrales a través del sistema circulatorio.

Sin embargo, estamos empezando a abrirnos camino en medio del bosque. El cableado del cerebro -su "sinaptoma"- es el sustrato anatómico para una variedad de funciones que requieren información para comunicarse rápidamente de un punto a otro. Los circuitos neuronales involucrados en los reflejos son un ejemplo típico -acciones relativamente simples, rápidas y automáticas que ocurren a nivel subconsciente-. Otras funciones mucho más complejas relacionadas con el sinaptoma  incluyen el procesamiento de información en circuitos grandes pero discretos en los sistemas sensorial y motriz, y en las regiones cerebrales asociadas con el lenguaje, el cálculo, la escritura y el razonamiento.

Los sistemas modulatorios, sin embargo, actúan en múltiples circuitos neuronales y zonas cerebrales. Esta acción difusa está relacionada a los humores y estados generales del cerebro (por ejemplo, la atención, el sueño y la ansiedad).

Una reconstrucción serial rápida y automática de grandes volúmenes de tejido, que es posible gracias al reciente desarrollo de técnicas de microscopía electrónica automatizadas, es el método preferido a la hora de definir el sinaptoma. Sin embargo, aun utilizando esta tecnología, una reconstrucción total de cerebros enteros es posible sólo para sistemas nerviosos relativamente simples. Por cierto, incluso en el caso de un mamífero pequeño como el ratón, es imposible reconstruir el cerebro completamente a nivel ultraestructural, porque la magnificación necesaria para visualizar las sinapsis arroja imágenes relativamente pequeñas.

Por ejemplo, se ha estimado que si quisiéramos utilizar secciones de unos 35 micrómetros cuadrados (millonésimas de un metro) en un espesor de 20 nanómetros, necesitaríamos más de 1.400 millones de secciones para reconstruir completamente apenas un milímetro cúbico de tejido. Por lo tanto, si bien se pueden hacer reconstrucciones completas de una pequeña región del cerebro de los mamíferos, estructuras como la corteza cerebral -con una superficie de 0,22 metros cuadrados y un espesor de entre 1,5 y 4,5 milímetros- no se pueden reconstruir poir completo.

No obstante, a pesar de las dificultades técnicas, debería ser posible hacer progresos espectaculares en cuanto a desentrañar la organización cerebral, inclusive en los seres humanos, adoptando estrategias apropiadas con las herramientas con las que contamos hoy. Por ejemplo, si bien la densidad sináptica dentro de un área y capa determinadas puede variar, esta variabilidad sigue estando dentro de un espacio relativamente estrecho, de modo que la distribución estadística de la variación se puede modelar. Eso significa que no necesitamos reconstruir toda la capa dentro de una zona específica para determinar la cantidad absoluta y los tipos de sinapsis; en cambio, el rango de variabilidad se puede determinar mediante un muestreo múltiple de regiones relativamente pequeñas dentro de esa zona.

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Al combinar estos datos estructurales detallados con la luz incompleta y los diagramas de cableado de microscopía electrónica, podría resultar factible generar un modelo estadístico realista, en lugar de intentar reconstruir el cerebro en su totalidad. Los modelos informáticos de redes neuronales basados en circuitos reales ya se han convertido en herramientas útiles para estudiar aspectos de la organización funcional del cerebro.

En consecuencia, si bien un verdadero sinaptoma del cerebro de los mamíferos es una investigación quimérica, es posible que en el futuro cercano estemos en condiciones de construir una "corteza de silicio", una máquina computarizada basada en un modelo realista del diseño anatómico, fisiológico y molecular del circuito cortical. Si lo logramos, finalmente podremos ver el bosque -sin tener que mirar cada árbol.