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JAVIER DEFELIPE OROQUIETA

Instituto Cajal (CSIC)

Organización columnar de la corteza cerebral: proyecto Cajal Blue Brain

El proyecto Cajal Blue Brain está financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad y cuenta con la colaboración y patrocinio del Banco Santander. Liderado por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), agrupa a varios equipos de investigación dirigidos por Javier DeFelipe, quien expone en este artículo las líneas fundamentales de este ambicioso estudio.

Introducción
La información procedente del mundo que nos rodea es conducida hacia el cerebro a través de un complicado sistema sensorial consistente en receptores de diversas clases que actúan como transductores; estos transforman los estímulos físicos y químicos del ambiente en impulsos nerviosos DESTACADOSPerfil: Javier DeFelipe Oroquieta
que el cerebro puede interpretar y darles un significado. El cerebro humano está formado por miles de millones de neuronas especializadas en el procesamiento y transmisión de información a otras neuronas. Estas células están constituidas por un cuerpo celular (soma) del que surgen varias prolongaciones de las cuales solamente una de ellas es el axón, siendo el resto dendritas. Por lo general, las dendritas reciben señales de entrada procedentes de otras neuronas. Tras la combinación e integración de esta información, la neurona emite una señal de salida que se transporta a través del axón hasta los terminales axónicos que distribuyen la información a un nuevo conjunto de neuronas mediante una relación funcional de contacto denominada sinapsis. Existe una gran divergencia de salidas y una gran convergencia de entradas en cada neurona, ya que el número total de terminales axónicos que establecen contactos sinápticos con una neurona es relativamente grande, mientras que el número de conexiones entre el axón de una neurona dada con otra es más bien pequeño. Como el número de neuronas es extraordinariamente elevado —y mayor aún el número de sinapsis— y dado que hay una gran variedad de tipos neuronales y de sinapsis, el cerebro se podría definir como un inmenso mundo microscópico, increíblemente complejo, de procesamiento de información y de emisión de señales, que no solo sirve para gobernar nuestro organismo, sino también para controlar nuestra conducta y poder comunicarnos con otros seres vivos.

Uno de los objetivos de la neurociencia es comprender los mecanismos biológicos responsables de la actividad mental humana. Los frentes de estudio son muy variados y pertenecen a diversos niveles: por un lado se centran en las moléculas, los genes, las neuronas y las sinapsis, y por otro, en los microcircuitos (circuitos de cada región cerebral), los mesocircuitos (conexiones entre las diversas regiones del cerebro) y los macrocircuitos (relación de todas las partes del cerebro como una unidad combinada). Los avances en la neurociencia están permitiendo crear el armazón intelectual necesario para explorar las funciones mentales y dar respuestas a preguntas fundamentales de extraordinaria complejidad, como por ejemplo, cómo se regula nuestra vida emocional y cuál es la causa de que nuestra forma de pensar o nuestro estado emocional se altere por enfermedades tan comunes como la esquizofrenia o la depresión.





Neocorteza y concepto de organización columnar
La neocorteza es la región más extensa de la corteza cerebral y la que más se ha expandido a lo largo de la evolución (la corteza cerebral representa aproximadamente el 85% del cerebro humano); también se considera la estructura más «humana» del sistema nervioso. Es decir, es la estructura del cerebro cuya actividad está directamente relacionada con la aparición de las capacidades que distinguen a los seres humanos de otros mamíferos. Por estos motivos, otra de las metas de la neurociencia es establecer cuál es el substrato neuronal que hace al hombre ser humano. Se pretende crear un vademécum digital del cerebro que permita analizar la enfermedad de forma global a partir de esta información multidisciplinar¿Por qué es tan difícil determinar esto? El principal obstáculo es la extrema complejidad de los circuitos neuronales.

Es evidente que la corteza cerebral no es una estructura homogénea en toda su extensión, pero existen dos puntos de vista antagónicos. Un grupo de investigadores sostiene que las diferencias funcionales de las distintas áreas corticales se podrían explicar simplemente por el sistema de conexiones aferentes y eferentes que es específico de cada área, mientras que las diferencias histológicas serían esencialmente fortuitas. Otro grupo de investigadores plantea que las diferencias morfológicas entre las áreas corticales serían tan fundamentales como lo son las diferencias en las conexiones.

La hipótesis que goza de más partidarios en la actualidad es aquella que afirma que el procesamiento de información cortical se realiza a través de conjuntos de neuronas organizadas en múltiples microcircuitos que se repiten, las columnas corticales (Figura 1). Dicho de otro modo, la repetición ordenada de la columna cortical como elemento unitario representa actualmente la principal hipótesis sobre la organización funcional de la corteza cerebral.

La investigación sobre la organización columnar se puede abordar por tanto planteando dos cuestiones principales:

  • ¿Cómo se organizan estructuralmente y funcionalmente los elementos que componen los circuitos de la columna cortical?
  • ¿Cómo se modifica el cerebro durante el envejecimiento y cómo y por qué los circuitos corticales en ciertos individuos se transforman de manera que inducen al deterioro cognitivo y a la aparición de enfermedades mentales?

Encontrar la respuesta a estas cuestiones es, en sí mismo, un objetivo ambicioso que será alcanzable gracias a la colaboración de numerosos científicos de la materia, pero requiere además el apoyo de otras disciplinas. El apoyo interdisciplinar se centra en la carencia, en la actualidad, de muchas de las herramientas necesarias La estructura científica básica del proyecto consiste en dos grandes bloques científicos(informáticas, computacionales, imagen, microscopía óptica y electrónica, etcétera) para hacer avanzar la neurociencia hasta el punto de poder responder a las cuestiones planteadas. Eso hace que, en paralelo con el desarrollo más puramente científico, sea necesario diseñar y construir un arsenal de herramientas y técnicas novedosas que permitan superar ciertas limitaciones técnicas impuestas por las herramientas actuales. Como veremos a continuación, puesto que la organización columnar de la corteza cerebral se adapta muy bien a la modelización sistemática, surgió el proyecto Blue Brain cuyo primer paso es recrear la columna a través del comportamiento biológico preciso de cada una de las células que lo componen.





Proyecto Cajal Blue Brain
Los orígenes del proyecto se remontan al año 2005, cuando L’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza) y la compañía IBM anunciaron conjuntamente el ambicioso proyecto de crear un modelo funcional del cerebro utilizando el superordenador Blue Gene, de IBM. Es importante destacar que este proyecto tiene por objetivo la ingeniería inversa del cerebro, para explorar su funcionamiento y servir de herramienta para futuras investigaciones en neurociencia y biomedicina. El proyecto no pretende fabricar un cerebro artificial, sino una representación del sistema biológico cerebral, que nada tiene que ver con la creación de inteligencia consciente. A finales de 2006, el proyecto Blue Brain había El proyecto Blue Brain parte de que para comprender el funcionamiento del cerebro es necesario obtener primero un mapa detallado de las conexiones sinápticascreado un modelo de la unidad funcional básica del cerebro, la co­lumna cortical. Sin embargo, las metas propuestas por el proyecto, que se marca un plazo de 10 años, imponían su conversión en una iniciativa internacional. En este contexto surge en enero de 2009 el proyecto Cajal Blue Brain, donde se materializa la participación es­pañola en el proyecto, liderada por la Universidad Politécnica de Madrid y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas. En términos generales, el proyecto Blue Brain se fundamenta en la idea que sostienen algunos científicos de que para comprender el funcionamiento del cerebro es necesario obtener primero un mapa detallado de las conexiones sinápticas. Esta reconstrucción a gran escala de los circuitos neuronales, «conectoma y sinaptoma», pronto será posible gracias a los recientes avances tecnoló­gicos para la adquisición y procesamiento de datos experimentales Aunque la comu­nidad científica está dividida en lo relativo a la viabilidad y validez de la hipótesis de partida, es importante hacer notar que ya surgieron objeciones similares cuando se propuso por primera vez el proyecto Genoma Humano, que ahora es considerado sin reservas como un logro científico de gran magnitud.




Uno de los puntos fuertes del proyecto Cajal Blue Brain es su naturaleza interdisciplinar, de tal forma que el esfuerzo conjunto de todos los laboratorios y grupos de investigación que participan está canalizado hacia la consecución de un objetivo concreto, mediante la utilización estricta de criterios metodológicos comunes. Así, los datos generados en un laboratorio pueden ser utilizados de forma efectiva por el resto de los grupos de investigación. La estructura científica básica del proyecto consiste en dos grandes bloques científicos: bloque de Neurociencia y bloque de Neuroinformática. El bloque de neurociencia está compuesto por un módulo: Módulo de Neurociencia. El bloque de neuroinformática está compuesto por cuatro módulos: Herramientas Informáticas, Procesamiento de Imagen, Visualización y Minería de datos.

Los objetivos a largo plazo del proyecto Cajal Blue Brain se resumen en los siguientes objetivos prioritarios:

  • Descifrar el sinaptoma o mapa detallado de las conexiones sinápticas de la columna cortical, con la consiguiente reconstrucción de todos los componentes que la conforman.
  • Dar un impulso decidido a la investigación sobre la columna cortical, profundizando en las hipótesis actuales sobre su funcionamiento normal y sus disfunciones (especialmente la enfermedad de Alzheimer).
  • Idear nuevos métodos de procesamiento y análisis de los datos experimentales obtenidos en los estudios antes mencionados.
  • Desarrollar tecnología informática para el estudio de funciones neuronales por medio de herramientas gráficas y métodos de visualización.

Para el desarrollo del proyecto se cuenta con diversas herramientas y nuevos métodos computacionales que suponen un importante aporte tecnológico. Entre estas herramientas y métodos destacan el desarrollo de técnicas de inyección intracelular e integración y explotación de datos microanatómicos, la tecnología FIB/SEM y la utilización del superordenador Magerit.


Inyecciones intracelulares: integración y explotación de datos microanatómicos
En los últimos años hemos desarrollado un método de análisis microanatómico muy potente que consiste en la inyección intracelular electroforética de neuronas en tejido fijado con paraformaldehído y, por tanto, se puede utilizar no solamente en tejido cortical procedente de animales de experimentación, sino también en tejido obtenido de autopsias (menos de 3 horas post mórtem) y biopsias. Esta técnica tiene la ventaja de que no es necesario mantener vivo el tejido para realizar el experimento. Mediante una micropipeta se penetra en el interior del cuerpo de la neurona para inyectar una sustancia fluorescente (Lucifer Yellow) que difunde a lo largo de sus pro­longaciones dendríticas, Otro gran componente del proyecto es la capacidad de análisis de grandes volúmenes de datoslo que permite la visualización de su arborización dendrítica completa (Figura 2). La arborización dendrítica se reconstruye y se estu­dia morfométricamente gracias a un sistema de análisis de imagen acoplado al mi­croscopio (Neurolucida, Microbrightfield). Además, se puede calcular la densidad y el nú­mero total de espinas dendríticas que presentan las células piramidales y el tamaño y longitud del cuello de las espinas dendríticas (IMARIS, Bitplane) (Figura 2). Este tipo de análisis es crítico para conocer el diseño estructural de las neuronas corticales y para la simulación funcional de la columna cortical puesto que existe una clara re­lación entre la morfología del árbol dendrítico y de las espinas con las propiedades funcionales de las neuronas. Las neuronas marcadas intracelularmente también se pueden analizar para co­nocer sus posibles conexiones con otras neuronas o con sistemas aferentes mediante doble tinción inmunocitoquímica, utilizando anticuerpos contra Lucifer Yellow y para diversos neurotransmisores.




Foto 1. Sistema FIB-SEM de Zeiss (Microscopio Cross Beam NEON 40 EsB). / Foto cedida por el autor.


Otro ejemplo del carácter interdisciplinar del proyecto Cajal Blue Brain es la colaboración directa entre el Laboratorio Cajal de Circuitos Corticales (UPM-CSIC) y el Grupo de Computación Inteligente (CIG) de la UPM para el desarrollo de una nueva plataforma de integración y explotación de da­tos microanatómicos. Así, se han aplicado herramientas estadístico-computacionales desa­rrolladas por el CIG, basadas en modelos probabilísticos gráficos, llamados redes bayesianas, para caracterizar matemáticamente la microanatomía de las células piramidales. Estos modelos ya han sido aplicados satisfactoriamente en nuestros laboratorios de la UPM para generar dendritas virtuales de neuronas piramidales normales (Figura 3).


Tecnología FIB/SEM
La tecnología FIB/SEM (microscopio electrónico de doble haz, Foto 1) permite estudiar a nivel ultraestructural grandes volúmenes de tejido de forma semiautómática, lo que propiciará sin duda importantes avances en este campo. En las pilas de imágenes seriadas obtenidas con la tecnología FIB/SEM se pueden estudiar y cuantificar diferentes aspectos, entre ellos el número exacto y tipos de sinapsis, que son fundamentales para conocer la organización sináptica del cerebro. Dentro del proyecto Cajal Blue Brain, hemos desarrollado un software actualmente registrado en la UPM (herramienta ESPINA, UPM, 2011) que permite acelerar de forma considerable el proceso de reconstrucción tridimensional de los contactos sinápticos y la visualización tridimensional de las series de imágenes obtenidas por FIB/SEM.
La aplicación de estas técnicas de análisis ultraestructural para el estudio combinado de la corteza cerebral humana procedente de autopsias y del tejido cortical experimental de distintas especies de mamíferos permitirá, en los próximos años, un avance significativo en el conocimiento de los principios básicos de organización de los circuitos de la corteza cerebral normal, que servirán como base para el entendimiento de su funcionamiento y sus alteraciones en situaciones patológicas, como la enfermedad de Alzheimer, por ejemplo.


Superordenador Magerit
Otro gran componente del proyecto es la capacidad de análisis de grandes volúmenes de datos y la simulación de las columnas corticales reconstruidas, empleando el supercomputador Magerit (Foto 2). Simular una única neurona requiere toda la potencia de un ordenador portátil. Simular simultáneamente millones de neuronas de forma realista es un desafío que no puede lograrse aún con la potencia de los mejores supercomputadores actuales. El Magerit tiene una potencia pico de 103,4 TFlops que permite realizar simulaciones complejas de circuitos neuronales que conforman las columnas corticales. Es decir, el proyecto utiliza técnicas de simulación multinivel para reducir la complejidad en el que solo grupos de neuronas activas se simularán en detalle.



Foto 2. Sistema Magerit con 2.864 CPUs y 6,9 TB de RAM. Recursos de supercomputación disponibles para el proyecto, ofrecidos por CeSViMa (Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid) en la UPM. / Foto cedida por el autor.


Cajal Blue Brain y la enfermedad de Alzheimer
Existen numerosos trabajos que abordan de forma independiente aspectos clínicos, funcionales o patológicos asociados a la enfermedad de Alzheimer, pero hasta el momento dichos aspectos no se han analizado conjuntamente con las alteraciones de los circuitos corticales. Por ello se desconoce cómo y por qué ciertos circuitos normales se alteran e inducen el deterioro cognitivo. En general, los estudios realizados abordan la enfermedad de forma exhaustiva, pero usando perspectivas parciales del problema: evaluando neuropsicológicamente los efectos del deterioro cognitivo, o por medio de análisis histoquímicos e inmunocitoquímicos de muestras de tejido cerebral, determinación de marcadores bioquímicos, etc. Por estos motivos, hemos propuesto un ambicioso proyecto denominado Alzheimer 3π, utilizando como eje central la estructura y recursos técnicos y humanos del proyecto Cajal Blue Brain, junto con la participación del Centro Alzheimer de la Fundación Reina Sofía y la Asociación AFALcontigo (Asociación Nacional de Alzheimer) y diversas instituciones que incluyen el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM), el Centro de Tecnología Biomédica de la Universidad Politécnica de Madrid, la Universidad Rey Juan Carlos y la Universidad Complutense de Madrid.

Su principal objetivo es la creación de mapas microscópicos del cerebro completo de pacientes con enfermedad de Alzheimer que se integrarán con información detallada sobre los aspectos clínicos, genéticos, moleculares, funcionales y patológicos asociados a esta enfermedad. En definitiva, se pretende crear un vademécum digital del cerebro que permita analizar la enfermedad de forma global a partir de esta información multidisciplinar; para ello, resulta necesario resolver nuevos retos tecnológicos y gestionar una serie de recursos singulares. Pretendemos que la estructura organizativa del proyecto sirva como modelo de investigación internacional y que nuestra iniciativa sea adoptada en otros países a fin de incrementar la potencia investigadora a escala mundial para luchar contra esta enfermedad.

Perfil: Javier DeFelipe Oroquieta

Profesor de investigación en el Instituto Cajal (CSIC), especializado en el estudio microanatómico del cerebro. En 1991, se incorpora al Instituto Cajal para formar un equipo de investigación que analice la microoorganización de la corteza cerebral normal y las alteraciones de los circuitos corticales en pacientes con epilepsia. En 1997, participa en el proyecto Neurolab de la NASA para estudiar el efecto de los vuelos espaciales sobre el desarrollo del cerebro. A partir de 2006 se centra en el estudio de la enfermedad de Alzheimer. En 2009, inicia una nueva etapa con la participación en el proyecto Blue Brain, cuyo origen se remonta al año 2005, cuando L’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza) y la compañía IBM anunciaron conjuntamente el proyecto de crear un modelo funcional del cerebro utilizando el superordenador Blue Gene, de IBM.

Javier DeFelipe es editor y miembro del comité editorial de varias revistas de neurociencias y ha sido organizador de diversos congresos y reuniones científicas nacionales e internacionales. Entre los premios y distinciones recibidas, destacan el Krieg Cortical Kudos Award (1999), que le otorgó el Club Cajal (EEUU) por sus contribuciones al estudio de la estructura de la corteza cerebral, así como la Cátedra Santiago Ramón y Cajal de la Academia de Ciencias de México (2005).

Publicado en Núm. 10


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