Human Brain Project: 10 años para digitalizar los circuitos del cerebro

La ciencia lleva muchos años estudiando el funcionamiento del cerebro. Los avances han sido muy lentos y en ocasiones se ha llegado a conclusiones erróneas. Los científicos se enfrentan solos (o en pequeños equipos) a sus trabajos de investigación, sin ser conscientes o tener acceso a las miles de investigaciones paralelas que está habiendo en el resto del mundo, o sin tener acceso a todas las conclusiones que se han llegado, ni a las herramientas que otros han podido desarrollar para avanzar en su estudio. En definitiva, el estudio del cerebro ha sido muy lento, se trata todavía de un órgano que resulta tremendamente complejo de comprender.

Hace dos años, la Unión Europea aprobó financiar con 1.000 millones de euros un proyecto multidisciplinar a nivel mundial, el Human Brain Project, que tiene su origen en la iniciativa española Cajal Blue Brain, que impulsan el Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), y que lidera el doctor Javier de Felipe, al que ha tenido acceso SaluDigital.es.

“No sabemos qué es todo lo que sabemos sobre el cerebro, porque ahora mismo hay muchísima información, pero también datos que no son buenos, meten ruido. Tenemos que averiguar cuáles son losbuenos, mejores y peores, e integrarlos todos”, expone el doctor.

El Human Brain Project está diseñado para desarrollar herramientas, nuevas tecnologías para el estudio del cerebro, “y sobre todo, para establecer colaboraciones interdisciplinares en diversos grupos de investigadores para ir más rápidos, porque es un órgano de lo más complejo en su estructura y todavía desconocemos muchos aspectos, cómo está diseñado y cómo podemos comprender mejor las enfermedades”.



LAS TECNOLOGÍAS

Son muchas aún las dificultades que se interponen en el conocimiento del cerebro. Por eso, por ejemplo, hay varios grupos que se dedican a la minería de datos, o más comúnmente conocido como “big data”, que recopilan los datos a nivel mundial de enfermedades y conocimientos adquiridos “utilizando superordenadores, desarrollando robótica, creando ordenadores neuromórficos (inspirados en la biología del cerebro), etc.”, explica el doctor De Felipe.

La idea es, después de haber integrado la información que ya se conoce del cerebro en grandes bases de datos y supercomputación, desarrollar nuevos métodos y tecnologías para el estudio del mismo y que éstas puedan ponerse a disposición de los científicos de todo el mundo.

Para ello, el proyecto aborda varias áreas de trabajo. entre las que se encuentra la neuroinformática, datos estratégicos del cerebro de las ratas (para aplicarlo a estructuras humanas), datos estratégicos del cerebro humano, arquitecturas cognitivas, neurociencia teórica, simulación cerebral, computación de alto desarrollo, informática médica, computación neuromórfica y la neurorobótica.

“La ventaja es el abordaje multidisciplinar. Hoy he tenido una videoconferencia para ver cómo vamos a elaborar los circuitos del cerebro de la forma más realista posible, basándonos en la escasez de datos que hay sobre el cerebro, utilizando los datos que se han publicado ya, los datos nuevos que aún necesitamos conocer como valores estratégicos, y luego hacemos modelos para ver cómo funcionan esos circuitos esenciales”, añade.

LAS ENFERMEDADES

Como es lógico, los avances tecnológicos desarrollados en el Human Brain Project pueden ser útiles para el estudio de todas las enfermedades que afectan al cerebro, pero la gran ventaja es que, gracias a la elaboración y recreación de los circuitos exactos neuronales de un cerebro sano, se puede simular el proceso de deformidad de éstos mismos cuando se desarrolla una enfermedad concreta.

“Una vez que tengas un modelo que sea bastante realista, lo podemos modificar para ver qué ocurriría cuando se desarrolla una enfermedad, porque, en principio, todas las enfermedades que afectan el cerebro alteran los circuitos”, detalla. Con ello, se puede estudiar qué es necesario que se produzca en el cerebro para generar una enfermedad, y a partir de ahí, “establecer hipótesis de trabajo” y estudiar cómo tratarla.

Por ejemplo, “en la enfermedad de Alzheimer, sabemos que las espinas dentríticas, que son una de las protusiones que tienen la mayor parte de las células del cerebro, es donde se forman la mayor parte de las conexiones del mismo y sabemos que están relacionadas con la condición del aprendizaje y de la memoria, y que se pierden en el alzheimer; de hecho, se van perdiendo esas estructuras”, explica el doctor. “Pero si yo tengo un modelo con sus espinas normales y empiezo a modificarlas de la forma que veo en mis estudios, podemos comprender cómo afectan estos cambios a la función de la neurona y así poder ver luego cuál sería el mejor tratamiento”, continúa.


PRINCIPALES AVANCES

Periódicamente, los avances del proyecto van apareciendo en diversas publicaciones. La más destacada, sin embargo, se trata de una que ha aparecido recientemente en la revista Cell, que detalla la elaboración de un microcircuito de la corteza cerebral, “el más detallado que existe hasta el momento”.

La investigación culmina 20 años de experimentación biológica y 10 años de trabajo de ciencia computacional. Como resultado, se ha obtenido una reproducción digital del cerebro humano y la simulación detallada de su funcionamiento. Para ello, los científicos estudiaron decenas de miles de experimentos ya realizados con las neuronas y la sinapsis (conexión entre neuronas) en el neurocórtex de ratas jóvenes y catalogaron cada tipo de neurona y cada tipo de sinapsis que encontraron. Esto sirvió para identificar patrones fundamentales en la organización de las neuronas en el microcircuito y para predecir las localizaciones de los casi 40 millones de sinapsis en los microcircuitos.

Como resultado, se obtuvo un un mapa-modelo virtual 3D realista de las neuronas del cerebro, el más exacto que existe hasta el momento, para el que ha sido fundamental una potente estructura de supercomputación y técnicas de simulación que han dado lugar a nuevas formas de estudiar el procesamiento de información y los mecanismos de la memoria en los estados cerebrales normales, como la vigilia, la somnolencia y el sueño, y algunos de los mecanismos en los estados anormales, tales como la epilepsia y, en potencia, otros trastornos cerebrales.



Otro de los avances destacados en los dos años que lleva el proyecto es un un atlas microscópico del cerebro en 3D que ha servido para comprender mejor la enfermedad de Alzheimer, que en España afecta a unas 650.000 personas y cuyo principal factor de riesgo es la edad.

Transcurridos los 10 años que previsiblemente durará este proyecto, para 2023, “esperamos que el conocimiento que vamos a generar sea muy importante”, manifiesta el doctor Javier de Felipe, ya que la revolución radica en que las “nuevas estrategias para estudiar el cerebro y los métodos que se están generando van a estar disponibles para todos los compañeros del mundo, lo que va a acelerar en gran medida la investigación del cerebro”.