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Cómo funciona el mapeo cerebral

Cómo funciona el mapeo cerebral
Satisfacer
  1. Tecnología y métodos de mapeo cerebral
  2. Usos del mapeo cerebral
  3. El Atlas del cerebro: como usamos los mapas cerebrales
  4. El mapa cerebral completo

Tecnología y métodos de mapeo cerebral

Hemos recorrido un largo camino.

Mark Strozier / © istockphoto.com

Los científicos utilizan muchos métodos para estudiar la estructura y función del cerebro. Toman fotografías de cerebros sanos y las comparan con cerebros enfermos. Además, examinan cerebros extraídos de humanos, primates y pequeños mamíferos e intentan comprender cómo funciona el pequeño sistema nervioso de los invertebrados. A nivel microscópico, también examinan neuronas.

A continuación, se muestran algunas herramientas que se utilizan en el mapeo cerebral. Estas técnicas toman fotografías del cerebro:

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  • Tomografía axial computarizada (CAT) Tome una radiografía del cerebro desde varios ángulos y muestre anomalías estructurales.
  • De construcción Resonancia magnética utiliza agua en el cerebro para crear imágenes con mejor resolución que un escáner CAT.
  • Tensor de resonancia magnética de difusión (DTI) imágenes de “valvas” de neuronas que conectan regiones del cerebro siguiendo el movimiento del agua en el cerebro.

Estas técnicas examinan la actividad cerebral:

  • Electroencefalografía (EEG) indica ubicaciones eléctricamente activas en el cerebro mediante sensores implantados en el cerebro o colocados en una gorra.
  • Tomografía de emisión de positrones (ANIMAL) tomar fotografías de marcadores radiactivos en el cerebro.
  • Imagen de resonancia magnética funcional (fMRI) muestra imágenes de la actividad cerebral mientras los sujetos trabajan en diversas tareas.
  • Imágenes por resonancia magnética funcional de fármacos (phMRI) muestra actividad cerebral durante la administración de fármacos.
  • Estimulación magnética transcraneal (TMS) Estimula de forma no invasiva partes del cerebro para desencadenar ciertos comportamientos.

Los nuevos métodos permiten a los investigadores ver todas las conexiones entre las neuronas en un cerebro intacto. Esta rama de estudio se llama conectómica. El “diagrama de cableado” de un cerebro se llama conectoma [source: Lichtman]. “Hasta hace poco, no teníamos ninguna esperanza de obtener estos diagramas de cableado”, dijo Jeff Lichtman, un biólogo de Harvard que dirigió el equipo que desarrolló algunas de las nuevas técnicas. “Podemos ver células individuales, pero nunca todas a la vez”.

Brainbow etiquetó las neuronas en ese cerebro de ratón transgénico con aproximadamente 90 combinaciones de colores diferentes.

Brainbow etiquetó las neuronas en ese cerebro de ratón transgénico con aproximadamente 90 combinaciones de colores diferentes.

Fotógrafo autónomo / Getty Images / AFP

Una de estas técnicas, conocida como Brainbow, asigna un color diferente a cada neurona en el cerebro de un animal vivo. Al obtener imágenes del cerebro del animal, los científicos pueden ver dónde y cómo se conectan las neuronas entre sí. A medida que el animal crece y envejece, también puede observar cómo las neuronas cambian la conexión.

Otra técnica utiliza el ATLUM, o ultramicrotomo para torno de recogida automática de cinta. Esta máquina lee el diagrama de cableado de un cerebro. “Estamos haciendo algo similar a pelar una manzana”, explica Lichtman. “Básicamente, afeitamos un corte en espiral girando el cerebro en un tornillo de banco y colocando esa cinta de tela encima de una cinta. Terminaremos con una cinta extremadamente larga, que es básicamente todo el cerebro. Usando un microscopio electrónico, imaginémoslo para ver la estructura del cableado. “

Hasta ahora, Brainbow y ATLUM solo se han utilizado para estudiar animales con cerebros relativamente pequeños, como los ratones.

Entonces, ¿para qué sirve? ¿Qué puede hacer el mapeo, si lo hay? Descubra lo que podemos aprender del mapeo del cerebro humano en la página siguiente.

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Usos del mapeo cerebral

¿Por qué los científicos deberían hacer la abrumadora tarea de mapear el cerebro? La respuesta es simple, dice Lichtman: comprenda nuestro cerebro más íntimamente. Nunca hemos visto un diagrama de cómo se conectan todas las neuronas del cerebro. Como dice Jeff Lichtman, “Gran parte de nuestro pensamiento sobre el cerebro se basa en un conocimiento incompleto de lo que realmente existe. Por lo tanto, nos gustaría ver lo que realmente existe”.

El diagrama de conexión del cerebro puede ayudarnos a comprender mejor cómo aprendemos y nos adaptamos, dice Lichtman. “Al principio, estamos menos adaptados a nuestro entorno que cualquier otro animal. En la edad adulta, podemos usar herramientas que nuestra estructura genética no podría haber enseñado a nuestro sistema nervioso a usar, como los iPods. Ningún otro animal puede hacer eso. Durante nuestro desarrollo, debemos [be able to] utilizar estas máquinas. “

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El mapeo cerebral también es de uso práctico para los médicos. Los neurocirujanos utilizan el mapeo cerebral para planificar cirugías más seguras. El tratamiento de la epilepsia, por ejemplo, elimina la parte afectada del cerebro. Mediante la resonancia magnética funcional y el electroencefalograma funcional, los cirujanos pueden localizar el centro de la crisis en el cerebro del paciente, así como las áreas activas durante el habla y el movimiento, con precisión milimétrica. Estas fotos les dicen a los médicos qué dejar y qué cortar.

Las imágenes cerebrales no solo se utilizan para el tratamiento. Se utiliza para diagnosticar enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer. [source: Wilson]. Usando técnicas de etiquetado como PET, los médicos buscan gotas en ciertos químicos en el cerebro o pueden usar la resonancia magnética para buscar estenosis en áreas con pérdida de tejido. Con el tiempo, los médicos pueden mapear la apariencia del cerebro a medida que avanza la enfermedad o funcionan los tratamientos. [source: Institute for Neurodegenerative Disorders].

Los trastornos del desarrollo, como el autismo, pueden tener una base estructural en el cerebro. Lichtman señala que el autismo implica una serie de conexiones incorrectas entre neuronas. Al aplicar Brainbow a un ratón autista, los investigadores pudieron ver la evolución del patrón de cableado para saber cómo, cuándo y si el cableado estaba mal.

Los científicos también han intentado ilustrar los efectos de diversas enfermedades mentales en el cerebro, con cierto éxito. Las imágenes cerebrales de estos pacientes revelaron anomalías estructurales. Por ejemplo, la resonancia magnética estructural ha demostrado que los pacientes esquizofrénicos pierden material en el tormenta Es La corteza prefrontal hora extra [Source: Rapoport]. Estos hallazgos aún no han dado lugar a tratamientos.

El trastorno de pánico, el trastorno bipolar, la depresión, la ansiedad, los trastornos alimentarios y otros se examinan utilizando diferentes técnicas de imágenes cerebrales, pero ¿cómo interpretan los científicos los resultados? Más importante aún, ¿dónde podemos verlos? Descúbrelo en la página siguiente.

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El Atlas del cerebro: como usamos los mapas cerebrales

El cofundador de Microsoft, Paul G. Allen, anuncia la finalización del Allen Brain Atlas en Capitol Hill en septiembre de 2006. El proyecto está estudiando la expresión genética en el cerebro de ratones.

El cofundador de Microsoft, Paul G. Allen, anuncia la finalización del Allen Brain Atlas en Capitol Hill en septiembre de 2006. El proyecto está estudiando la expresión genética en el cerebro de ratones.

Mark Wilson News / Getty Images

La neuroinformática pone todos los datos que tenemos sobre el cerebro en Internet en una forma utilizable. Los datos incluyen imágenes, modelos de comportamiento de neuronas y mapas de genes “activados” en diferentes regiones del cerebro. Al hacer que los datos se puedan compartir y buscar, los investigadores del cerebro pueden usar los estudios de los demás y obtener más información.

Los ingenieros crean software para ayudar a los investigadores del cerebro a compartir y comparar datos. El software ahora analiza, por ejemplo, si las resonancias magnéticas de pacientes con enfermedad de Alzheimer con diferentes tamaños y formas cerebrales tienen características cerebrales similares. ¿Los hombres con cierta arquitectura cerebral están predispuestos al trastorno bipolar? Esta pregunta, y muchas otras, puede que algún día se responda mediante programas informáticos que vuelvan a analizar imágenes de pacientes antiguos en lugar de estudiar a los nuevos.

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Aquí hay algunos ejemplos de atlas cerebrales que los investigadores pueden extraer para encontrar las respuestas:

  • Atlas del cerebro del ratón Allen: El cerebro del ratón expresa 21.000 genes. Los investigadores extrajeron el cerebro y tiñeron el lugar donde se expresa cada gen. Los visitantes pueden ver fotos o modelos 3D del cerebro para identificar el gen de interés. [source: Allen Institute for Brain Science].

  • Atlas Allen de la corteza humana: Nuestra corteza cerebral nos permite pensar, razonar y recordar. Los investigadores también compartieron eso. También tiñeron donde se expresan 1,000 genes, y el recuento. Incluso puedes buscar fotos [Source: Allen Institute for Brain Science].

  • Atlas de todo el cerebro: Almacena imágenes del cerebro humano a medida que envejece y combate las enfermedades [source: Becker].

Las fotos no son la única fuente de información. Los siguientes son ejemplos de bases de datos que utilizan los investigadores del cerebro:

  • NeuronDB proporciona diagramas de neuronas específicas en el cerebro humano y le indica qué entradas las activan [source: Marenco].

  • ModelDB almacena modelos matemáticos de cómo las neuronas y las redes neuronales envían señales eléctricas. “El conjunto de millones de células que hacen esto se convierte en movimiento, sensación, cognición, emoción y experiencia humana”, dice Wilson. “Para modelar cómo funciona el cerebro, comencemos con eso” [source: Shepherd].

Ahora que podemos mapear el cerebro humano, ¿dónde estamos? ¿Nosotros terminamos? ¿Estamos cerca también? Descúbrelo en la página siguiente.

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El mapa cerebral completo

Una mujer examina una exposición en Dresde, Alemania, que muestra los procesos neurobiológicos del cerebro humano.  ¿Podríamos mapear emociones como la felicidad?

Una mujer examina una exposición en Dresde, Alemania, que muestra los procesos neurobiológicos del cerebro humano. ¿Podríamos mapear emociones como la felicidad?

Norbert Millauer / DDP

Después de imaginar los cerebros de poblaciones lo suficientemente grandes como para generar estadísticas, los investigadores produjeron mapas cerebrales sofisticados. Hay mapas para ilustrar dónde perdemos volumen cerebral a medida que envejecemos, a medida que avanza el sida y con el uso de metanfetaminas.

¿Cómo sería un mapa completo del cerebro humano? Depende de tus intereses. Si tiene sed de conocer la estructura del cerebro, es posible que desee ver esta versión hipotética de Google Earth, que puede comenzar con una imagen de nuestra corteza y agrandar el número de neurona 888 898 432 857.

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Este mapa completo, similar al de Google Earth, está arreglado en varios lugares. Uno de estos puntos es la imagen de todas las neuronas del cerebro humano y sus conexiones. Obtener estos datos en ratones también es laborioso, dice el biólogo de Harvard Jeff Lichtman. Al ritmo ATLUM Y un microscopio electrónico está funcionando ahora, obtener un mapa de todas las neuronas interconectadas en el cerebro de la rata tomaría 200.000 semanas, estima Lichtman. Los datos serían “más grandes que cualquier dato en Internet, más grande que cualquier dato en cualquier biblioteca del mundo”, dice. “Por el momento, el tipo de almacenamiento posible en las computadoras no está a la altura”. El único “cerebro” al que tenemos un mapa completo de neuronas interconectadas pertenece C. elegans, “un gusano de un milímetro de largo con 300 células nerviosas”, explica Lichtman.

Una vez más, su definición de un mapa cerebral completo depende de sus intereses. Si usted es neuropsiquiatra, por ejemplo, un mapa cerebral completo puede ser una imagen de lapso de tiempo que muestra cómo se manifiesta el trastorno bipolar en el cerebro desde el nacimiento hasta los primeros síntomas y qué hace el litio para detener el proceso.

Puede que no sea suficiente para ti. Es posible que desee conocer la función de cada pulgada cuadrada del cerebro. Desafortunadamente esto es imposible. No podemos capturar funciones que ocurren demasiado rápido o demasiado lento, dice el neurobiólogo Charles Wilson. Otros procesos llevan toda la vida. Ningún estudio de imágenes ha seguido a una persona desde el nacimiento hasta la muerte. “Ningún método que conozcamos gestiona cada vez que estamos interesados. Ningún método que conocemos se ocupa de más que una pequeña parte “, dice Wilson. En este punto, Lichtman dice que no hay ningún esfuerzo en marcha para integrar todas estas tarjetas en una sola.

Pero no hay ninguna razón fundamental por la que no tengamos algunas o todas estas tarjetas, dice Wilson. “Los problemas son todos problemas tecnológicos prácticos que se pueden superar. Al igual que con cualquier mapa, si comienza con un mapa sin formato, es mejor que ningún mapa. Y no necesitas un mapa nuevo. Simplemente agregue información a la tarjeta anterior. Para hacer. Más refinado. No vamos a despertarnos un día y tener esto. Vamos a agregar algunos hoy, algunos mañana y, en algún momento, diremos: “Vaya, esto está empezando a verse muy bien”.

Para obtener más información sobre el proceso de mapeo cerebral, consulte la página siguiente.

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Neuronas en el cerebro humano cuando transfieren información entre ellas.  ¿Quieres un mapa de eso?  Esto puede tardar un rato.  Vea otras imágenes del cerebro.

Neuronas en el cerebro humano cuando transfieren información entre ellas. ¿Quieres un mapa de eso? Esto puede tardar un rato. Vea otras imágenes del cerebro.

© iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

El cerebro humano es un nudo de 100 mil millones de neuronas y células de apoyo. Podemos almacenar toda una vida de recuerdos allí. Podemos usarlo para escribir sonetos y construir aviones. Claro, el cerebro de un elefante es más grande, pesa más y tiene más neuronas, pero los elefantes tampoco tienen nuestras capacidades. ¿Rastrear? Los científicos están seguros. Esta es una de las razones por las que están mapeando el cerebro humano, un proyecto sustancial que podría llevar décadas.

El mapeo cerebral intenta relacionar la estructura del cerebro con su función o averiguar qué partes nos proporcionan ciertas habilidades. Por ejemplo, ¿qué aspecto de nuestro cerebro nos permite ser creativos o lógicos? Se denomina ubicación de la función.

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Al mapear las funciones cerebrales, los científicos usan imágenes para observar cómo el cerebro trabaja en varias tareas. Charles Wilson, neurobiólogo de la Universidad de Texas en San Antonio, explica la ubicación de la función de esta manera:

Hay una parte del cerebro que tiene que ver principalmente con la visión y otras partes que tienen que ver principalmente con el sonido. Ahora podemos mirar la sección de visión y decir: ¿hay una parte especial del cerebro que detecta objetos rojos y otra que detecta objetos verdes? ¿O la misma área detecta objetos de ambos colores?

El mapeo cerebral también se ve de afuera hacia adentro. Examine cómo nuestro entorno cambia la estructura de nuestro cerebro estudiando, por ejemplo, cómo el cerebro cambia físicamente a través de los procesos de aprendizaje y envejecimiento. El mapeo cerebral también examina lo que está físicamente mal en el cerebro durante una enfermedad mental y otras enfermedades cerebrales.

Finalmente, el mapeo cerebral tiene como objetivo darnos una imagen completa de la estructura de nuestro cerebro. Google Earth nos muestra imágenes de satélite de nuestro planeta y expande continentes, países, estados, ciudades, carreteras, carreteras y edificios. Un mapa estructural completo de nuestro cerebro puede parecer similar. Esto podría mostrarnos todos nuestros cerebros; todas las regiones, lóbulos funcionales, centros especializados, haces gruesos de neuronas que conectan partes del cerebro, circuitos neuronales, neuronas individuales, uniones entre neuronas y, finalmente, partes de neuronas. Los científicos aún están desarrollando las partes que podrían formar este enorme mapa.

El mapeo cerebral es una colección de muchas herramientas diferentes. Los investigadores deben recopilar imágenes del cerebro, convertir esas imágenes en datos y luego usar esos datos para analizar lo que está sucediendo en el cerebro a medida que crece.

Siga leyendo para descubrir cómo los investigadores están mapeando el cerebro.

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