Un mapa del cerebro: Allan Jones en TEDxCaltech

La charla cubre algunas de las investigaciones más recientes que se llevan a cabo para entender la función del cerebro.

Complejidad.

Nada describe mejor esta palabra

como el cerebro humano.

Por siglos hemos estudiado

la complejidad del cerebro humano

usando las herramientas

y la tecnología actual,

desde la pluma y el papel

en la era de Da Vinci,

a la invención del microscopio

para poder ver más
detalladamente dentro del cerebro,

hasta llegar a muchas nuevas tecnologías
de las que han oído hablar hoy.

Como la imagenología
o la resonancia magnética

que nos permiten ver
los detalles del cerebro.

Una de las primeras cosas
que notarán cuando vean

un cerebro fresco de humano
es el tamaño de la vasculatura

que cubre al cerebro por completo.

El cerebro es un órgano
metabólicamente voraz.

Consume un cuarto del oxigeno
de nuestra sangre

y aproximadamente la quinta
parte de la glucosa en la sangre

es usada por este órgano.

Es tan activo metabólicamente,
que la corriente de desechos

sale al líquido cefalorraquídeo.

Genera medio litro de CSF
(liquido cefalorraquídeo) cada día.

Como saben, los investigadoras
han tomado ventaja

del gran flujo sanguíneo
y de la actividad metabólica

para "mapear" las regiones del cerebro;
para ver el funcionamiento del cerebro

de maneras muy importantes.

Ustedes habrán escuchado
sobre esta clase de estudios,

pero básicamente aprovechan
el metabolismo activo del cerebro

cuando realiza tareas específicas.

Podemos poner a una
persona en una máquina

y ver como varias áreas
del cerebro se iluminan.

Por ejemplo, ahora mismo esta
iluminada la corteza temporal.

El procesamiento auditivo empieza ahí,
eso prueba que escuchan mis palabras

y están procesando lo
que estoy diciendo.

Si observamos la parte
delantera del cerebro

vemos la corteza prefrontal

que es la parte de su cerebro
que toma decisiones.

Es una de las áreas del pensamiento
más complejo del cerebro.

Entonces, la cuestión
que más nos interesa

en el instituto Allen

es ir más a fondo, a nivel celular.

Cuando ven este corte de cerebro, no se
ve realmente como materia gris , ¿o sí?

Es más como una
materia bronceada o beige.

Los científicos, a finales del siglo XVIII

descubrieron que podían
teñir el tejido cerebral,

esto se complementó con varias
técnicas de observación al microscopio.

Ésta es la tinción de Nissl que colorea
los cuerpos de las neuronas.

Colorea estos cuerpos en morado.

Uno puede apreciar más
la estructura y la textura

cuando miras un corte teñido asi.

Uno puede ver las capas más externas
del cerebro y la neocorteza,

que es una estructura de
6 capas que nos vuelve

más únicos como seres humanos.

Como han oído, existen aproximadamente

86 mil millones de neuronas.

Estas neuronas no están desordenadas,

si no que se concentran
en estructuras específicas

que poseen cierta función

tanto a nivel anatómico como celular.

Si hacemos un acercamiento a estas células

podemos ver grandes neuronas y pequeñas

células de soporte llamadas
glía y astrocitos,

todas conectadas en una infinidad
de formas diferentes

y nos gusta pensar que
aunque son 86 mil millones

de células, semejantes entre sí,
como los copos de nieve,

éstas de hecho pueden dividirse en
un gran número de tipos o clases.

La actividad de cada tipo
particular de neurona

es controlada por los genes
activos en ella

los cuales conducen la
expresión de las proteínas que

guían la función de estas células,

a quienes se conectan,
qué tipo de morfología tienen.

Nos interesa mucho entender esta
clasificación en las neuronas

¿cómo hacemos eso?

Nosotros buscamos dentro de
la neurona, en el núcleo.

Llegamos al núcleo en la pantalla.

Y dentro del núcleo tenemos
23 pares de cromosomas.

La mitad proviene de mamá,
la otra mitad de papá,

Y cada cromosoma
contiene 25 mil genes.

Y estamos muy interesados en entender
cuáles de estos 25 mil genes

se encuentran activos,
y qué tan activos están.

Estos genes regulan la actividad
bioquímica neuronal

y cada célula de nuestro cuerpo tiene
la misma maquinaria bioquímica

y queremos entender
mejor como nuestra

bioquímica se relaciona
a nuestro genoma.

Entonces, ¿cómo logramos eso?

Tenemos que dividir al cerebro
con varios pasos sencillos.

Iniciamos en la oficina
del examinador médico,

que es el lugar a donde los
cadáveres son traídos,

y como ustedes lo vieron,

el trabajo que nosotros hacemos
es muy invasivo.

De hecho, necesitamos obtener
tejido fresco del cerebro

y lo necesitamos en las primeras 24 hrs.
por que el tejido empieza a descomponerse.

También necesitamos tejido normal
para nuestros proyectos;

tan normal como logremos conseguirlo.

En un periodo de
2 a 3 años de recolección

colectamos 6 cerebros de gran calidad,
5 eran de hombres, uno era de mujer.

Eso sólo se debe a que los hombres
suelen morir sorpresivamente

con más frecuencia que las mujeres,

y sumado a eso, son más
las mujeres que consienten

usar el cerebro de su pareja,
que los hombres.

Tenemos que investigar eso.

Hemos escuchado gente decir:
"de todas formas él no lo usaba".

(Risas)

Entonces una vez que extraemos el cerebro
debemos trabajar muy rápido.

Primero tomamos imágenes
de resonancia magnética.

Éstas desde luego lucen muy familiares.

Pero, este será el marco en donde
colocaremos toda la información.

Es también un marco de
referencia en coordenadas

con el que muchos investigadores
que hacen estudios de imagen

pueden hacer mapas dentro de
nuestras bases de datos;

un tipo de atlas.

También colectamos imágenes
mediante tensor de difusión

para obtener el "cableado"
de estos cerebros.

Luego, el cerebro se extrae del cráneo,

se rebana, se congela y se envía a Seattle,

al Instituto Allen de Ciencia Cerebral,

ahí tenemos técnicos expertos
en muchas formas

para continuar procesando el tejido.

Entonces cortamos rebanadas muy delgadas,
esta mide 25 micras de espesor;

aproximadamente el grueso de
un cabello de un bebé.

Se transfiere el
tejido al microscopio

y se tiñe con las técnicas
histológicas que ya mencioné

para darnos más contraste mientras
nuestro equipo de anatomistas

empieza a estudiar
la anatomía cerebral.

Después digitalizamos las imágenes

y todo pasa del laboratorio
húmedo al laboratorio seco.

Combinando los datos anatómicos que
obtuvimos de la resonancia magnetica

hacemos más fragmentos del cerebro

para estudiar un marco más pequeño
en el que podemos hacer esto.

Este es un técnico cortando
un delgado fragmento,

de nuevo una sección de 25 micras

y verán la herramienta
de Da Vinci, el pincel

que se usa para alisar
la superficie de este tejido.

Éste es tejido cerebral
fresco congelado

que se coloca cuidadosamente sobre
un porta objetos para microscopio.

Pueden ver que hay un código
de barras en el porta objetos

porque procesamos miles
y miles de muestras

y resguardamos toda la información
en un sistema electrónico.

Estas muestras están teñidas,

lo que nos permite obtener información
anatómica más detallada.

Esta información...se coloca aquí.

Este es un microscopio de captura láser

donde el técnico describe
un área en el tejido

y un láser, pueden ver
la luz azul cortando

muy al estilo de James Bond
cortando partes del tejido

y bajo esto pueden ver de nuevo
la luz azul del microscopio

que en tiempo real

colecta en un tubo

el tejido cerebral.

Entonces extraemos el ARN.

El ARN es el producto de
la activacion de los genes

y lo marcamos con
una luz fluorescente.

Lo que Uds. ven aquí

es una constelación del
genoma humano entero

esparcido sobre
una placa de cristal.

Estas pequeñas luces representan
los 25 mil genes

en aproximadamente 60 mil de
estos puntos. Este ARN fluorescente

se coloca en un portaobjetos
donde podemos contar

que genes están
activados y a qué nivel.

Hacemos esto una y otra y otra vez
a los cerebros colectados.

Mencione que colectamos 6 cerebros

y procesamos muestras de aproximadamente
1000 estructuras en cada cerebro.

Es una inmensa cantidad de datos

y mezclamos todos estos datos
en un espacio familiar

que es un recurso abierto y gratis para
los científicos alrededor del mundo.

En el Instituto Allen
llevamos generando este

tipo de fuentes de datos
durante casi una década.

Están al alcance de cualquiera,
con herramientas en línea.

Por ejemplo hoy, un día normal de trabajo
se registrarán mil visitas diferentes

desde laboratorios alrededor del mundo
para usar nuestros recursos y datos.

Los visitantes acceden a herramientas
como ésta, que les permite ver

la anatomía en
el marco que creamos

y empezar a mapear
las partes de su interés.

Pueden ver en
la estructura y luego en los

círculos de colores

que representan genes
específicos de su interés

que pueden estar
activados o silenciados

en estas áreas dependiendo
de su coloración.

Entonces, ¿qué hace la gente que
empieza a usar estas herramientas?

Bueno, algo que escucharán mucho

son estudios genéticos humanos.

Obviamente, si están muy interesados
en entender enfermedades

hay un componente genético
en muchas de ellas.

Así que si quieren mas información
deben hacer estudios a gran escala

y de ellos obtendrán
colecciones de genes,

una de las primeras cosas que
querrán será más información.

¿Hay algo más que pueda aprender
de la localización de estos genes,

que me de pistas adicionales de su función

y maneras en las que pueda
revertir la enfermedad?

También nos interesa entender
la diversidad genética humana.

Sólo hemos estudiado 6 cerebros

pero como sabemos,
cada ser humano es único,

¡celebramos las diferencias!

Esta es una foto de la fuerza de trabajo
del Instituto Allen de Ciencias Cerebrales

quienes hacen todo el trabajo
que hoy les he platicado.

Notablemente, cuando investigamos
a este nivel, los datos...

estos son demasiados datos de dos
individuos completamente diferentes

pero hay una gran correlación.

Medimos miles de datos
de expresión genética

a lo largo de muchísimas áreas del cerebro

y hay una gran coincidencia.

Esto nos animó.

Porque cuando generamos
esta enorme cantidad de datos

queríamos estar seguros que
tuvieran una gran calidad

y la reproducibilidad
también es importante.

Pero también era importante
porque pensamos que

nos da una gran foto o mapa
del interior del cerebro humano

y la gente que usa los datos aún con
una "n" (tamaño de muestra) pequeña

puede confiar en que
lo que ve tiene relevancia.

Ahora, no todo esta correlacionado,
tambien podemos ver algunos datos atípicos

y desde luego esos
datos son interesantes

con relación a las diferencias
interpersonales.

Hace un par de años
hicimos una investigación

para tratar de entender mejor
estas diferencias

y estudiamos muchos individuos y muchos
productos de la actividad de sus genes

y lo que encontramos es
una tendencia o regla

en que las diferencias ocurren en
tipos de células muy especificos,

tipos o clases de neuronas,
como mencione antes.

Este es un ejemplo, dos genes
diferentes que están activos en

capas muy especificas de
la neocorteza cerebral

sólo en uno de
los sujetos y no el otro.

No tenemos idea si esto se debe a
influencias o cambios ambientales,

o si es algo genético.

Hicimos un estudio en ratones
hace varios años

buscando genes que codifiquen para,
en este caso DRD2

el gen en la parte superior
es de un receptor de dopamina.

Abajo, la tiroxina hidroxilasa "TH" está
involucrada en la biosíntesis de dopamina

y estos dos productos de genes son
muy diferentes entre los tipos de células

en estas cepas de ratones.

En el cuadro de la izquierda tenemos la
C57Black6 que es una cepa común de ratón

y hasta la derecha una cepa silvestre.

Entre más avanzamos en los cuadros
más diferentes son genéticamente

y si observamos el patrón total
de evolución a lo largo

de la semejanza genética

entre más diferentes genéticamente

más diferentes son los cambios
en neuronas específicas.

El Instituto Allen en la próxima decada

iniciará un programa para

entender los tipos de células,
entender las diferencias celulares

y cómo estas se relacionan con las
propiedades funcionales del cerebro.

Creo que esta información es
crítica en neurociencias

para empezar a relacionar
las partes fundamentales

las células, cómo se conectan,

las moléculas que
regulan estas conexiones,

las moléculas que regulan las
propiedades electrofisiológicas,

las propiedades electroquímicas

y las propiedades funcionales
de estas células.

Hacemos esto en tres diferentes
áreas de investigación:

Primero nos centramos en
el sistema visual del ratón

para ver en tiempo real,
en un animal vivo,

las funciones y variantes
de diferentes neuronas

relacionamos esto con el concepto de
"las diferencias celulares" para entender

las moléculas y todas las propiedades
que se relacionan con la función visual

y entonces pasamos al humano.

En el ser humano juntamos ambos enfoques,
con los estudios de tejido que les mostré,

pero también

utilizamos técnicas "in vitro" con
tecnología de células troncales

aprendiendo a cultivar tipos muy
específicos de neuronas en una placa

para poder probar sus
propiedades funcionales

y regresar a aplicarlo a lo que aprendimos
en el ratón y el ser humano.

Terminaré diciendo que es un tiempo
emocionante para ser biólogo

ó neurocientífico,

creo que la tecnología de hoy ha ido
mucho más allá de la pluma y el papel.

Es tiempo de un renacimiento en el
entendimiento de este órgano tan complejo.

¡Gracias!