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CAJAL BLUE BRAIN

Todo hombre puede ser, si se lo propone, escultor de su propio cerebro

Santiago Ramón y Cajal

El proyecto
Laboratorio Cajal de Circuitos Corticales
Descarga espINA

El Proyecto Cajal Blue Brain (CBBP) fue aprobado en 2009 por un periodo de 10
años (hasta 2018). Este proyecto ha permitido crear un equipo multidisciplinar
de más de 50 investigadores (anatomistas, fisiólogos, matemáticos e
informáticos). Como resultado del CBBP se han desarrollado varias herramientas y
nuevos métodos computacionales que representan una importante contribución
tecnológica al estudio del cerebro.


CREANDO IMPACTO EN EL ESTUDIO DEL CEREBRO

El proyecto Cajal Blue Brain es la contribución española al Blue Brain Project,
un enfoque internacional diseñado para crear un modelo cerebral funcional
mediante ingeniería inversa del cerebro de los mamíferos utilizando el
superordenador Blue Gene de IBM.


MOTIVACIÓN

Uno de los principales objetivos de la neurociencia es comprender los mecanismos
biológicos responsables de la actividad mental humana. En particular, el estudio
de la corteza cerebral es y sin duda será el mayor desafío para la ciencia en
los próximos siglos, ya que representa la base de nuestra humanidad. En otras
palabras, la corteza cerebral es la estructura cuya actividad está relacionada
con las capacidades que distinguen al ser humano del resto de mamíferos. Gracias
al desarrollo y evolución de la corteza cerebral somos capaces de realizar
tareas muy complejas y específicamente humanas, como escribir un libro, componer
una sinfonía o desarrollar tecnologías.

Por estos motivos el Proyecto Blue Brain surgió en 2005, cuando la L’Ecole
Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza) e IBM lanzaron conjuntamente un
ambicioso proyecto para crear un modelo cerebral funcional mediante ingeniería
inversa del cerebro de los mamíferos, utilizando el Blue Gene. Supercomputadora
de IBM. El objetivo era comprender el funcionamiento y la disfunción del cerebro
mediante simulaciones detalladas. A finales de 2006, el proyecto Blue Brain
había creado un modelo de la unidad funcional básica del cerebro, la columna
neocortical. Sin embargo, los objetivos marcados por el proyecto, que abarcaba
un período de 10 años, impusieron su conversión en una iniciativa internacional
(The Blue Brain Project, Nat Rev Neurosci. 7, 153-160, 2006). En este contexto,
en enero de 2009 se inició el proyecto Cajal Blue Brain, la contribución
española a este proyecto internacional liderado por la Universidad Politécnica
de Madrid (UPM) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).


SIMULACIÓN DE BOSQUE NEURONAL

Dirección de Arte y Técnica: Luis Pastor, Ángel Rodríguez, Susana Mata y Sofía
Bayona – Arte y Técnica – Producción y Desarrollo: Juan Pedro Brito y Luis
Miguel Serrano – Asesoría Técnica: José Miguel Espadero – Asesoría de Arte: Eva
Cortés – Asesoría Científica: Javier DeFelipe y Ruth Benavides-Piccione

«El jardín de la neurología ofrece al investigador espectáculos cautivadores y
emociones artísticas incomparables. En él, mis instintos estéticos quedaron por
fin plenamente satisfechos. Como el entomólogo que busca mariposas de colores
brillantes, mi atención se centró en el jardín de flores de la materia gris que
contenía células de formas delicadas y elegantes, misteriosas mariposas del
alma, cuyo batir de alas podrá algún día (¿quién sabe?) aclarar el secreto de la
vida mental… Incluso desde el punto de vista estético, el tejido nervioso
contiene el atracciones más encantadoras. ¿Hay en nuestros parques algún árbol
más elegante y lujoso que la célula de Purkinje del cerebelo o la célula
psíquica, que es la famosa pirámide cerebral?

Santiago Ramón y Cajal, 1894


DEL CONECTOMA AL SINAPTOMA

 

Partiendo de la idea de que la mayoría de las conexiones se establecen mediante
sinapsis químicas punto a punto, se han propuesto los términos «conectoma» y
«sinaptoma» para facilitar la descripción de los mapas de conexiones en
diferentes niveles de resolución. El término conectoma se puede utilizar para
referirse a mapas a nivel macroscópico y mesoscópico, lo que también permite
mapear supuestos contactos sinápticos, mientras que sinaptoma se refiere al mapa
de verdaderos contactos sinápticos a nivel ultraestructural (From the connectome
to the synaptome: an epic love story, Science 330:1198-1201, 2010). La
microscopía electrónica con reconstrucción de secciones en serie es el método
estándar de oro para rastrear las conexiones. Sin embargo, obtener series largas
de secciones requiere mucho tiempo y es un desafío. En consecuencia, la
reconstrucción de grandes volúmenes de tejido suele ser imposible.

La introducción de técnicas de microscopía electrónica automatizadas o
semiautomáticas a principios de siglo representó un avance importante en el
estudio de la sinaptoma, ya que ahora se pueden obtener largas series de
secciones consecutivas con poca intervención del usuario. A medida que esta
tecnología se vuelva más popular, tendrá un gran impacto en el estudio de la
ultraestructura del cerebro. A pesar de estas grandes esperanzas, el principal
inconveniente es que las reconstrucciones completas de cerebros completos sólo
son posibles en algunos invertebrados o para sistemas nerviosos relativamente
simples, mientras que para mamíferos pequeños como el ratón, es imposible
reconstruir completamente el cerebro a nivel ultraestructural. Esto se debe a
que la ampliación necesaria para visualizar y clasificar las uniones sinápticas
(es decir, excitadoras e inhibidoras) y medir sus tamaños y formas con
suficiente precisión produce imágenes relativamente pequeñas (del orden de
decenas de μm2). Como resultado, sólo es posible obtener sinaptomas incompletas.
Parece claro que sólo combinando estudios a nivel macro, meso y nanoscópico
podremos comprender completamente la disposición estructural del cerebro en su
conjunto.



Integración de datos microanatómicos. Representación esquemática para mostrar
cómo podríamos abordar el problema de los conectomas imprecisos y las sinaptomas
incompletas centrándose en las columnas corticales. R. En lugar de reconstruir
todos los componentes celulares dentro de la columna, los principios que rigen
el diseño estructural de las células se pueden obtener utilizando datos de
algunas neuronas reconstruidas en 3D y aplicando herramientas matemáticas para
determinar la estructura estadística de las neuronas para sintetizar
computacionalmente neuronas modelo. Las células se pueden etiquetar con
marcadores que permiten una visualización completa de sus ejes dendríticos y
axonales y luego reconstruirlas en 3D a nivel de microscopio óptico, lo que
permite el análisis morfométrico de células individuales (es decir, patrones de
ejes dendríticos, distribución y densidad de espinas dendríticas, etc.). .).
Estos datos también son fundamentales para modelar la función neuronal, como la
integración sináptica en dendritas y espinas dendríticas. Por ejemplo, basándose
en la distribución de las espinas dendríticas y su morfología (diferentes
colores representan diferentes tamaños), es posible generar mapas de supuestas
corrientes sinápticas. B. Otro conjunto de datos estructurales proviene de
mediciones del espesor de la materia gris, la fracción de volumen de los
elementos corticales (neuropil, neuronas, glía y vasos sanguíneos), la densidad
de neuronas y glía por volumen, junto con los patrones de actividad local
(intralaminar, translaminar). ) y conexiones de largo alcance (cortico-cortical,
tálamo-cortical, cortico-talámica, extratalámica subcortical). Para determinar
la contribución sináptica de las células piramidales en una capa cortical
determinada, no resulta práctico reconstruir todas estas células al nivel del
microscopio electrónico. En cambio, este parámetro podría inferirse combinando
datos cuantitativos de microscopía óptica sobre el número total y las
características microanatómicas de estas células, por un lado, con la densidad
promedio de sinapsis axoespinosas y axodendríticas obtenida al analizar
múltiples muestras de las células reconstruidas en 3D. neuropil, utilizando
técnicas y herramientas de microscopía electrónica automatizada para el análisis
de imágenes, segmentación y cuantificación de diferentes tipos de sinapsis
(sinapsis verdes, asimétricas; sinapsis rojas, simétricas).

Extraído de Neuroanatomy and Global Neuroscience. Neuron. 2017 95:14-18, 2017.


DESARROLLANDO ALGORITMOS PARA RECONSTRUIR CONEXIONES SINÁPTICAS

 

Es importante resaltar que la adquisición de múltiples muestras a diferentes
escalas (microscopía óptica y electrónica) nos permite obtener un conjunto de
datos que puede ser analizado estadísticamente en busca de patrones generales de
organización (Reconstruction and Simulation of Neocortical Microcircuitry. Cell
163:456-492, 2015). Este enfoque de muestreo múltiple garantiza una precisión
sin precedentes, ya que obtenemos tanto datos cuantitativos precisos como
información de variabilidad estadística. Los datos se pueden utilizar para
identificar principios de organización comunes y diferentes y desarrollar
algoritmos para reconstruir conexiones sinápticas para su uso en modelos
cerebrales (Figura Integration of microanatomical data).

 

Además, parece que el enfoque más apropiado para hacer que los estudios
neuroanatómicos sean más significativos es vincular datos estructurales
detallados con los diagramas de cableado incompletos de la microscopía óptica y
electrónica e integrar esta información neuroanatómica con datos genéticos,
moleculares y fisiológicos. Esta integración permitiría generar modelos que
presenten los datos de una forma que pueda usarse para razonar, hacer
predicciones y sugerir nuevas hipótesis para descubrir nuevos aspectos de la
organización estructural y funcional del cerebro. (e.g., Reconstruction and
Simulation of Neocortical Microcircuitry. Cell 163:456-492, 2015). 

Uno de los puntos fuertes del proyecto Cajal Blue Brain es que todos los
laboratorios y grupos de investigación participantes estarán coordinados, de
modo que todo el esfuerzo se canalizará hacia un objetivo concreto, utilizando
criterios metodológicos estrictamente comunes. Así, los datos generados en un
laboratorio pueden ser utilizados eficazmente por otros grupos de investigación.
En definitiva, el proyecto Cajal Blue Brain se estructura de tal forma que
funcionará como un único y gran laboratorio multidisciplinar. De esta forma, el
proyecto generará avances significativos en nuestra comprensión de la estructura
y función del cerebro normal.



Laboratorio Cajal de Circuitos Corticales

Centro de Tecnología Biomédica, Universidad Politécnica de Madrid

Campus de Montegancedo s/n

Pozuelo de Alarcón 28223 (Madrid) España

lccc@cajal.csic.es

Tel: +34 910679250

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