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Un nuevo modelo en 3D redefine la arquitectura del cerebro humano

Un equipo de investigación ha desarrollado un mapa virtual gratuito del cerebro en 3D que reproduce cada rincón del cerebro en alta resolución y desvela errores en la tradicional concepción de la anatomía cerebral

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Investigadoras cortando un cerebro humano en finísimas secciones para recrearlo digitalmente / Forschungszentrum Jülich

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La tarea de cartografiar el paisaje del cerebro lleva más de un siglo ocupando a los científicos. El psiquiatra y neurólogo alemán Korbinian Brodmann realizó el primer mapa de la corteza cerebral en 1909, dividiéndola en unas 50 áreas diferenciadas. Pocos años después, en 1925, el rumano Constantin Freiherr Von Economo publicaba sus estudios sobre la corteza cerebral, definiendo siete regiones separadas denominadas lóbulos, a las que se le atribuían distintas funciones cerebrales. Ambos ayudaron a crear el atlas primigenio del cerebro que hasta hoy ha estado sirviendo a los científicos para intentar descifrar el funcionamiento del órgano más complejo y enigmático del ser humano.

Más de cien años después, un equipo de investigación de Jülich, Alemania, ha desarrollado la reproducción del cerebro en 3D más fidedigna hasta la fecha, que ha desvelado que los cálculos de Brodmann y Von Economo no eran tan precisos como se pensaba. Hoy, la revista Science publica los resultados de este proyecto, llamado Big Brain. Este logro ha sido posible gracias al trabajo conjunto de científicos del Centro de Investigación Jülich y el Instituto Celile y Oskar Vogt para la Investigación Cerebral de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, en Alemania.

Actualmente existen muchos mapas del cerebro humano, pero la novedad que introduce este en concreto es que permite observarlo desde todos los ángulos posibles y en una altísima resolución. “El problema de la anatomía es que siempre se ha basado en la técnica histológica por cortes, en la que desaparece la tercera dimensión, el eje Z, que hay que imaginarlo”, explica Juan Lerma, experto en el tema y director del Instituto de Neurociencias de Alicante. Este nuevo modelo consigue, mediante técnicas informáticas, recrear esa tercera dimensión a base de la información recogida, proporcionando “un modelo tridimensional bastante fiable”, asegura Lerma, que no ha participado en el estudio.


Vídeo | Los científicos cortan finas secciones de un cerebro humano para escanearlas y digitalizarlas / Forschungszentrum Jülich


Gracias a esta mejora, se ha descubierto que los límites de determinadas zonas de la corteza cerebral no están donde se pensaba. Esto redefine el tradicional mapa del cerebro humano: “Ciertas áreas no empiezan y acaban donde creíamos”, explica Katrin Admunts directora del Instituto de Medicina y Neurociencia del Centro de Investigación de Jülich y coautora del artículo. Esto se explica por la constitución de la corteza cerebral repleta de pliegues, que hace que sea muy complicado delimitar dónde empieza y dónde acaba cada zona cortical.

Cuando Brodmann hizo su mapa de la corteza cerebral definiendo 50 áreas diferenciadas, sentó las bases para posteriores estudios comparativos de neuroanatomía. Estaba convencido de que cada zona del cerebro era responsable de una función específica. “Sin embargo, su teoría sólo era verificable en una pequeña proporción de los casos, con los medios de los que se disponía en el momento”, comenta Admunts. Hoy, con las avanzadas técnicas de neuroimagen y de supercomputación, se puede reproducir cada rincón del cerebro.

7.400


Es el número de lonchas en el que se seccionó cuidadosamente el cerebro de una mujer fallecida de 65 años para reconstruir el modelo virtual.

La precisión y exhaustividad de este modelo ha requerido mucha mano de obra. Se han necesitado diez años para terminar de cortar un cerebro humano sano de una mujer de 65 años, en 7.400 secciones de 20 micras de grosor. El cerebro estaba metido en una masa de cera de parafina, y los delicados cortes se fueron realizando con una herramienta llamada microtomo.“El siguiente paso fue escanear cada corte generando una imagen digital de alta resolución (13.000 por 11.000 píxeles)”, explica Admunts . Hasta ahora, los modelos más fiables tenían una resolución máxima de un milímetro “se quedaban en el nivel macroanatómico, de lo que se ve a simple vista”, añade Admunts. Pero este modelo permite acercarse al nivel neuronal, para poder observar la distribución celular del cerebro en 3D.


Vídeo | El modelo BigBrain reproduce en alta resolución y 3D el cerebro humano /


Cada sección de cerebro se ha escaneado y ha generado una imagen de alta resolución

Al unificar todas las imágenes en el ordenador, el sistema informático permite simular una reproducción del cerebro original en 3D, al que se pueden realizar virtualmente todos los cortes posibles que se deseen.

En la práctica, si un científico decide realizar un corte horizontal en un cerebro para buscar algo en concreto, ya no podrá volver sobre sus pasos para realizar un corte oblicuo, “porque ya has cortado el trozo de cerebro”, explica el investigador español experto en neurociencia. Sin embargo, este modelo permite observar el cerebro desde los ejes Z, X e Y reconstruyendo todas las partes. “Genera imágenes ilusorias porque tiene la información de cómo está dispuesta cada parte del tejido cerebral en los tres ejes”, matiza Lerma. Es una herramienta muy valiosa para los neurocientíficos, que ahora podrán disponer de una reproducción de un cerebro sano con parámetros reales con el que comparar los cerebros con patologías que estén estudiando.

«Hemos descubierto que ciertas áreas del cerebro no empiezan y acaban donde creíamos»


Katrin Admunts
Directora del Instituto de Medicina y Neurociencia del Centro de Investigación de Jülich

El modelo está disponible en internet de manera gratuita. “Hemos decidido ofrecer esta valiosa herramienta a toda la comunidad científica porque creemos que puede generar sinergias muy positivas”, explica la investigadora alemana responsable del proyecto.  Los investigadores aseguran que la fiabilidad del modelo es muy alta, ya que han realizado correcciones manuales y digitales para enmendar los posibles fallos producidos al cortar las secciones, “pero aún así pueden faltar datos, y los científicos que dispongan de ellos pueden introducirlos en el programa para completarlo”, añade Admunt.



Una iniciativa europea

A principios de este año, la UE escogía dos proyectos con los que pretendía revolucionar el panorama de la neurociencia actual, dos iniciativas que pretendían ridiculizar la más futurista película de ciencia ficción, empleando la más novedosa tecnología para entender, controlar y reproducir el funcionamiento del cerebro humano.

Uno de ellos era The Human Brain Project, del que forma parte el modelo Big Brain. Se trata de una ambiciosa iniciativa internacional que partía de la premisa de que la compresión del cerebro humano es el gran desafío del siglo XXI. La intención era reproducir, pieza por pieza, un cerebro humano en su totalidad sirviéndose de técnicas de supercomputación. El objetivo a largo plazo es esclarer todas las dudas sobre el funcionamiento del cerebro, para así desarrollar nuevos tratamientos para enfermedades cerebrales y crear nuevas tecnologías de supercomputación basándose en los modelos de nuestra propia inteligencia.




REFERENCIA

'Big Brain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model' DOI: 10.1126/science.1235381


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COMENTARIOS

  • http://www.carolaclavo.com Carola

    Me pregunto, si no era más sencillo fotografiar el bloque de parafina, con el cerebro en el interior, según se iban retirando las capas. Tomando el bloque como referencia, con una cámara sobre el mismo, no sería necesario trabajar con esas secciones tan frágiles. ¿O quizá así se ha hecho pero no lo aprecio bien en las imágenes?

    • Eduardo

      Las capas se retiran y manipulan con el objetivo de estudiarlas a nivel microscópico y registrarlas mediante micro-fotografía. Para esto deben ser delgadas, permitiendo que la luz las atraviese y que pueda observarse una fina capa del tejido a la vez. Esta información microscopia que permite reconocer el conexionado del cerebro no podría obtenerse fotografiando directamente el bloque. Saludos

  • Marec

    En realidad , no creo que con la microscopia optica se pueda resolver este enigma , se deberia haber usado la microscopia electronica o la de difraccion de Rayos x que no malogra el tejido ni es necesario matarlo para observarlo . La ME tiene una resolucion muchisimo mayor y es hasta intracelular . por otro lado me parece que 7,400 cortes son muy pocos para escanear todo un cerebro a 20u. Si el cerebro promedio mide unos 22 a 25 cm de largo y en cada cm hay 10 mm y cada mm tiene 1000 micras . Si se harian los cortes a cada 20u se necesitarian como minimo 11,000 cortes, salvo que sea un cerebro pequeño de apenas 15 cm , involucionado o con alzheimer o han dejado partes el cerebro como un 35% sin cortar ni estudiar ?