Mapeo cerebral

El mapeo cerebral es un conjunto de técnicas de neurociencia basadas en el mapeo de cantidades o propiedades (biológicas) en representaciones espaciales del cerebro (humano o no humano) dando como resultado mapas .

Según la definición establecida en 2013 por la Society for Brain Mapping and Therapeutics (SBMT), el mapeo cerebral se define específicamente, en resumen, como el estudio de la anatomía y función del cerebro y la médula espinal mediante el uso de imágenes , inmunohistoquímica , molecular y optogenética , células madre y biología celular , ingeniería , neurofisiología y nanotecnología .

En 2024, un equipo de 287 investigadores completó un mapeo cerebral completo de un animal adulto (una Drosophila melanogaster o mosca de la fruta) y publicó sus resultados en Nature . ^{[1] [2]}

Toda neuroimagen se considera parte del mapeo cerebral. El mapeo cerebral puede concebirse como una forma superior de neuroimagen, que produce imágenes cerebrales complementadas con el resultado de procesamiento o análisis de datos adicionales (con o sin imágenes), como mapas que proyectan (medidas de) comportamiento sobre regiones cerebrales (ver fMRI ). Uno de estos mapas, llamado conectograma , representa regiones corticales alrededor de un círculo, organizadas por lóbulos. Los círculos concéntricos dentro del anillo representan varias mediciones neurológicas comunes, como el grosor o la curvatura cortical. En el centro de los círculos, las líneas que representan fibras de materia blanca ilustran las conexiones entre las regiones corticales, ponderadas por la anisotropía fraccional y la fuerza de la conexión. ^[3] A resoluciones más altas, los mapas cerebrales se denominan conectomas . Estos mapas incorporan conexiones neuronales individuales en el cerebro y a menudo se presentan como diagramas de cableado . ^[4]

Las técnicas de mapeo cerebral están en constante evolución y dependen del desarrollo y perfeccionamiento de técnicas de adquisición, representación, análisis, visualización e interpretación de imágenes. ^[5] Las neuroimágenes funcionales y estructurales son el núcleo del aspecto de mapeo del mapeo cerebral.

Algunos científicos han criticado las afirmaciones basadas en imágenes cerebrales realizadas en revistas científicas y en la prensa popular, como el descubrimiento de "la parte del cerebro responsable" de cosas como el amor o las habilidades musicales o un recuerdo específico. Muchas técnicas de mapeo tienen una resolución relativamente baja, incluyendo cientos de miles de neuronas en un solo vóxel . Muchas funciones también involucran múltiples partes del cerebro, lo que significa que este tipo de afirmación es probablemente no verificable con el equipo utilizado, y generalmente se basa en una suposición incorrecta sobre cómo se dividen las funciones cerebrales. Puede ser que la mayoría de las funciones cerebrales solo se describan correctamente después de ser medidas con mediciones mucho más detalladas que no se centren en regiones grandes sino en una gran cantidad de pequeños circuitos cerebrales individuales . Muchos de estos estudios también tienen problemas técnicos como un tamaño de muestra pequeño o una mala calibración del equipo, lo que significa que no se pueden reproducir, consideraciones que a veces se ignoran para producir un artículo de revista sensacionalista o un titular de noticia. En algunos casos, las técnicas de mapeo cerebral se utilizan con fines comerciales, detección de mentiras o diagnóstico médico de formas que no han sido validadas científicamente. ^{[6] [ página necesaria ]}

A finales de la década de 1980, en los Estados Unidos, se encargó al Instituto de Medicina de la Academia Nacional de Ciencias que estableciera un panel para investigar el valor de integrar información neurocientífica en una variedad de técnicas. ^{[7] [ página necesaria ]}

De particular interés es el uso de imágenes por resonancia magnética estructural y funcional (fMRI), resonancia magnética de difusión (dMRI), magnetoencefalografía (MEG), electroencefalografía ( EEG ), tomografía por emisión de positrones (PET), espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) y otras técnicas de escaneo no invasivas para mapear la anatomía , fisiología , perfusión , función y fenotipos del cerebro humano. Tanto los cerebros sanos como los enfermos pueden mapearse para estudiar la memoria , el aprendizaje , el envejecimiento y los efectos de los medicamentos en varias poblaciones, como las personas con esquizofrenia , autismo y depresión clínica . Esto condujo al establecimiento del Proyecto Cerebro Humano . ^{[8] [ página necesaria ]} También puede ser crucial para comprender las lesiones cerebrales traumáticas (como en el caso de Phineas Gage ) ^[9] y mejorar el tratamiento de las lesiones cerebrales. ^{[10] [11]}

Tras una serie de reuniones, surgió el Consorcio Internacional para el Mapeo Cerebral (ICBM). ^{[12] [ página necesaria ]} El objetivo final es desarrollar atlas cerebrales computacionales flexibles .

El sitio web interactivo y de ciencia ciudadana Eyewire mapea las células de la retina de ratones y se lanzó en 2012. En 2021, los investigadores de Google publicaron el mapa 3D más completo del cerebro humano . Muestra neuronas y sus conexiones junto con vasos sanguíneos y otros componentes de una millonésima parte de un cerebro. Para el mapa, el fragmento de 1 mm³ se cortó en aproximadamente 5300 piezas de aproximadamente 30 nanómetros de espesor que luego se escanearon cada una con un microscopio electrónico . El mapa interactivo requirió 1,4 petabytes de espacio de almacenamiento. ^{[14] [15]} Aproximadamente dos meses después, los científicos informaron que crearon el primer mapa 3D completo con resolución a nivel de neuronas de un cerebro de mono que escanearon mediante un nuevo método en 100 horas. Hicieron que solo una fracción del mapa 3D estuviera disponible públicamente, ya que el mapa completo ocupa más de 1 petabyte de espacio de almacenamiento incluso cuando está comprimido. ^{[16] [17]}

En octubre de 2021, la Red de Censos Celulares de la Iniciativa BRAIN concluyó la primera fase de un proyecto a largo plazo para generar un atlas de todo el cerebro del ratón (mamífero) con 17 estudios, incluido un atlas y un censo de tipos de células en la corteza motora primaria . ^{[18] [19] [20]}

En 2024, FlyWire, un equipo de 287 investigadores que abarcan 76 instituciones, completó un mapeo cerebral, o conectoma, de un animal adulto (una Drosophila melanogaster o mosca de la fruta) y publicó sus resultados en Nature . ^[1] Antes de esto, el único animal adulto que tuvo su cerebro completamente reconstruido fue el nematodo Caenorhabditis elegans , pero el mapa cerebral de la mosca de la fruta es el primer "mapa completo de cualquier cerebro complejo", según Murthy, uno de los investigadores involucrados. ^[2] Los datos del mapeo primario se recopilaron a través de microscopía electrónica , asistida por inteligencia artificial y científicos ciudadanos , quienes corrigieron los errores que cometió la inteligencia artificial. El modelo resultante tenía más de 140.000 neuronas con más de 50 millones de sinapsis. ^[21] A partir del modelo, la investigación espera identificar cómo el cerebro crea nuevas conexiones para funciones como la visión, creando equivalentes gemelos digitales para rastrear cómo los segmentos del mapa de conexión neuronal interactúan con señales externas, incluido el sistema nervioso. ^[22]

En 2021 se publicó el primer conectoma que muestra cómo cambia el cerebro de un animal a lo largo de su vida. Los científicos mapearon y compararon los cerebros completos de ocho gusanos C. elegans isogénicos , cada uno en una etapa diferente de desarrollo. ^{[23] [24]} Más tarde ese año, los científicos combinaron la microscopía electrónica y la obtención de imágenes del arco cerebral para mostrar por primera vez el desarrollo de un circuito neuronal de mamíferos. Informaron de los diagramas de cableado completos entre el SNC y los músculos de diez ratones individuales. ^[25]

En agosto de 2021, los científicos del programa MICrONS , lanzado en 2016, ^[26] publicaron un conjunto de datos de conectómica funcional que "contiene imágenes de calcio de aproximadamente 75.000 neuronas de la corteza visual primaria (VISp) y tres áreas visuales superiores (VISrl, VISal y VISlm), que se registraron mientras un ratón veía películas naturales y estímulos paramétricos". ^{[27] [28]} Basándose en estos datos, también publicaron "visualizaciones interactivas de datos anatómicos y funcionales que abarcan las 6 capas de la corteza visual primaria del ratón y 3 áreas visuales superiores (LM, AL, RL) dentro de un volumen de un milímetro cúbico": el MICrONS Explorer . ^[29]

En 2022, un primer atlas celular espaciotemporal del desarrollo y la regeneración cerebral del ajolote , la Interpretación interactiva del telencéfalo regenerativo del ajolote a través del Atlas transcriptómico espaciotemporal , reveló conocimientos clave sobre la regeneración cerebral del ajolote. ^{[30] [31]}

• Atlas de Talairach , 1988
• Atlas del cerebro completo de Harvard, 1995 ^[32]
• Plantilla MNI, 1998 (la plantilla estándar de SPM y el Consorcio Internacional para el Mapeo Cerebral)
• Atlas del cerebro humano en desarrollo, 2012 ^[33]
• Atlas del cerebro infantil, 2023 ^[34]

• Rita Carter (1998). Mapeando la mente .
• FJ Chen (2006). Mapeo cerebral y lenguaje
• FJ Chen (2006). Enfoque en la investigación del mapeo cerebral .
• FJ Chen (2006). Tendencias en la investigación sobre mapeo cerebral .
• FJ Chen (2006). Progreso en la investigación sobre mapeo cerebral .
• Koichi Hirata (2002). Avances recientes en el mapeo cerebral humano: Actas del 12º Congreso Mundial de la Sociedad Internacional de Topografía Electromagnética Cerebral (ISBET 2001) .
• Konrad Maurer y Thomas Dierks (1991). Atlas de mapeo cerebral: mapeo topográfico de EEG y potenciales evocados .
• Konrad Maurer (1989). Mapeo topográfico cerebral de EEG y potenciales evocados .
• Arthur W. Toga y John C. Mazziotta (2002). Mapeo cerebral: los métodos .
• Tatsuhiko Yuasa, James Prichard y S. Ogawa (1998). Progreso actual en el mapeo funcional del cerebro: ciencia y aplicaciones .