ScienceDaily (17 de septiembre 2012) - Uno de los mayores retos de la neurociencia es identificar el mapa de las conexiones sinápticas entre las neuronas. Llamado el "conectoma," es el santo grial que explicará cómo fluye la información en el cerebro. En un artículo de interés, publicado la semana del 17 de septiembre en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, el Proyecto Blue Brain la EPFL (BBP) ha identificado los principios fundamentales que determinan la sinapsis escala conectividad virtualmente por la reconstrucción de un microcircuito cortical y comparándolo con una muestra de mamífero. Estos principios hacen ahora posible para predecir la ubicación de las sinapsis en el neocórtex.
"Este es un gran avance, ya que de lo contrario tomaría décadas, si no siglos, para asignar la ubicación de cada sinapsis en el cerebro y también hace que sea mucho más fácil ahora para construir modelos precisos", afirma Henry Markram, director del BBP.
Un misterio neurocientífico de larga data ha sido si todas las neuronas crecen de forma independiente y sólo tomar lo que reciben como sus ramas chocan entre sí, o son las ramas de cada neurona específicamente guiados por señales químicas para encontrar todo su objetivo. Para resolver el misterio, los investigadores analizaron en una reconstrucción virtual de un microcircuito cortical para ver donde las ramas chocaban entre sí. Para su sorpresa, descubrieron que los puntos en el modelo coincide con el de las sinapsis que se encuentran en el equivalente real cerebro circuito con una precisión que varía desde 75 por ciento a 95 por ciento.
Esto significa que las neuronas crecen como independientemente uno de otro como sea físicamente posible y en su mayoría forman sinapsis en los lugares en los que al azar chocan entre sí. Algunas excepciones fueron descubiertos también señalando los casos especiales en que las señales son utilizadas por las neuronas para cambiar la conectividad de estadística. Tomando en cuenta estas excepciones, el equipo de Blue Brain ahora puede hacer una predicción casi perfecta de la ubicación de todas las sinapsis formadas en el interior del circuito.
Reconstrucción Virtual
El objetivo del BBP es integrar el conocimiento de todas las ramas especializadas de la neurociencia, para derivar de ella los principios fundamentales que rigen la estructura y función del cerebro y, en definitiva, para reconstruir los cerebros de diferentes especies - incluyendo el cerebro humano - en silico. El documento actual proporciona otra prueba de concepto para el enfoque, demostrando por primera vez que la distribución de las sinapsis o conexiones neuronales en el córtex de los mamíferos puede, en gran medida, ser predicho.
Para lograr estos resultados, un equipo del Proyecto Blue Brain se dedicó a reconstruir virtualmente un microcircuito cortical sobre la base de datos sin precedentes acerca de las propiedades geométricas y eléctricas de las neuronas - datos de más de casi 20 años de experimentación minuciosa sobre rebanadas de tejido cerebral vivo. Cada neurona en el circuito fue reconstruido en un modelo 3D en una supercomputadora Blue Gene de gran alcance. Acerca de 10.000 neuronas virtuales fueron empaquetados en un espacio 3D en posiciones aleatorias de acuerdo con la densidad y la proporción de tipos morfológicas encontradas en tejido vivo correspondiente. Luego, los investigadores compararon la espalda a un modelo de circuito equivalente cerebral de un cerebro de mamífero real.
Un paso importante hacia modelos precisos del cerebro
Este descubrimiento también explica por qué el cerebro puede soportar el daño, e indica que las posiciones de las sinapsis en todos los cerebros de la misma especie son más similares que diferentes. "Sinapsis posicionamiento de esta manera es muy fuerte", dice el neurocientífico computacional y el primer autor Sean Hill, "Podemos variar la densidad, la posición, la orientación, y nada de eso cambia la distribución de las posiciones de las sinapsis".
Se pasó a descubrir que las posiciones de las sinapsis son sólo robusta, siempre y cuando la morfología de cada neurona es ligeramente diferente de la otra, que explica otro misterio en el cerebro - por qué las neuronas no son todos idénticos en forma. "Es la diversidad en la morfología de las neuronas que hace que los circuitos cerebrales de una especie determinada básicamente el mismo y muy robusto", dice Hill.
En general, este trabajo representa una aceleración importante en la capacidad de construir modelos detallados del sistema nervioso. Los resultados proporcionan pistas importantes sobre los principios básicos que rigen el cableado del sistema nervioso, arrojando luz sobre cómo robustos circuitos corticales se construyen a partir de poblaciones muy diversas de las neuronas - un paso esencial hacia la comprensión de cómo funciona el cerebro. También subrayan el valor de enfoque constructivista del BBP. "Aunque sistemáticamente la integración de datos a través de una amplia gama de escalas es lento y laborioso, que nos permite derivar principios fundamentales de la estructura y función del cerebro por lo tanto", explica Hill
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