La conectómica, el campo de la neurociencia que busca mapear de manera integral las conexiones entre las neuronas del cerebro, ha experimentado grandes avances en los últimos años. En concreto, en el lapso de una década ha pasado de las etapas iniciales hasta ser una disciplina preparada para desbloquear los enigmas de la cognición y la base física de neuropatologías como la enfermedad de Alzheimer.
Precisamente el uso de potentes microscopios electrónicos se encuentra a la orden del día, una técnica a la que han recurrido los investigadores del Laboratorio de Ciencias e Inteligencia Artificial (CSAIL) del Instituto de Tecnología de Massachusets (MIT por sus siglas en inglés) y los Laboratorios Samuel y Lichtman de la Universidad de Harvard, y a la que han dotado de la destreza analítica del aprendizaje automático. Entre las principales diferencias, el modelo de IA integrada sirve como un “cerebro” que aprende mientras que adquiere las imágenes y se enfoca de manera inteligente en los píxeles relevantes con una resolución a nano escala similar a cómo los animales inspeccionan sus mundos.
"Cuando miramos un rostro humano, nuestros ojos navegan rápidamente hacia los puntos focales que brindan señales vitales para una comunicación y comprensión efectivas"
Bajo el nombre “Smart EM”, ayuda a la conectómica a examinar y reconstruir rápidamente la compleja red de sinapsis y neuronas del cerebro con precisión nanométrica. A diferencia de la microscopía electrónica tradicional, los investigadores apuntan que esta IA integrada abre nuevas puertas para comprender el funcionamiento del cerebro.
Uno de los puntos clave en la investigación fue la integración de hardware y software en el proceso. El equipo incorporó una GPU en la computadora de soporte conectada a un microscopio, permitiendo así, ejecutar modelos de aprendizaje automático en las imágenes, ayudando a dirigir el microscopio a áreas interesantes para la IA.
"Cuando miramos un rostro humano, nuestros ojos navegan rápidamente hacia los puntos focales que brindan señales vitales para una comunicación y comprensión efectivas", apunta el arquitecto principal de SmartEM, Yaron Meirovitch, científico visitante en MIT CSAIL y actual neurocientífico asociado de investigación en Harvard.
La construcción de un segmento del cerebro humano de aproximadamente 100.000 neuronas a través de un microscopio convencional requería de una década de imágenes ontinuas, además de un presupuesto inimaginable. Ahora, con SmartEM, la tarea puede completarse en apenas tres meses.
PRUEBAS ANIMALES
Durante el estudio, Meirovitch y otros miembros del equipo de investigación estudiaron rodajas de tejido de pulpo de 30 nanómetros de espesor a través de los microscopios electrónicos, en los que se tomaron imágenes de cada sección del cerebro de un pulpo, que comprende miles de millones de píxeles, lo que permitió a los científicos reconstruir las rodajas en un cubo tridimensional con una resolución nanométrica.
"Los laboratorios de neurociencia que actualmente no pueden trabajar con imágenes EM costosas y largas podrán hacerlo ahora. El método también debería permitir el análisis de circuitos a nivel de sinapsis en muestras de pacientes con trastornos psiquiátricos y neurológicos”, añade Meirovitch.
"Los laboratorios de neurociencia que actualmente no pueden trabajar con imágenes EM costosas y largas podrán hacerlo ahora"
De cara al futuro, el equipo investigador ha señalado que imaginan un futuro en el que la conectómica sea asequible y accesible, gracias a herramientas como SmartEM que permiten que un espectro más amplio de instituciones de investigación pueda contribuir a la neurociencia.
"Ahora estamos tratando de introducir esto en los hospitales para biopsias grandes, utilizando microscopios electrónicos, con el objetivo de hacer que los estudios de patología sean más eficientes", concluye el profesor del MIT e investigador principal del CSAIL, Nir Shavit.