Desde que hacia fines del siglo XVIII comenzaran a publicarse tablas que cuantificaban distintas medidas corporales, como la altura o la circunferencia de la cabeza, con el paso de los años, estas mediciones se transformaron en una guía pediátrica de enorme ayuda para comprender de mejor manera el desarrollo de los niños en período de crecimiento y hallar anomalías cuando las había. Somos una especie con muchos factores en común, pero también hay una enorme variabilidad y cantidad de matices en nuestro desarrollo biológico. Es por esto que la novedosa biblioteca de mapeos cerebrales, la más grande jamás compendiada, ayudará enormemente a la comprensión del ritmo de crecimiento del cerebro.
Para lograr esta titánica tarea Jakob Seidlitz reunió más de 120.000 escáneres cerebrales para crear los primeros gráficos de crecimiento completos del desarrollo cerebral. La muestra más joven pertenece a un feto tras dieciséis semanas de su concepción, y la más vieja a la de un centenario. El arco completo de la vida humana. Los gráficos muestran visualmente cómo los cerebros humanos se expanden rápidamente al principio de la vida y luego se encogen lentamente con la edad.
La magnitud del estudio, publicado en Nature recientemente, ha sido suficiente para sorprender a la comunidad neurocientífica, que durante mucho tiempo han tenido que lidiar con problemas de reproducibilidad en sus investigaciones, en parte debido al pequeño tamaño de las muestras. Uno de los grandes obstáculos ha sido el que las imágenes por resonancia magnética (IRM) son caras, por lo que los científicos suelen tener un número muy acotado de participantes en los experimentos.
"El enorme conjunto de datos que han reunido es impresionante y establece un nuevo estándar en este campo", afirma Angela Laird, neurocientífica cognitiva de la Universidad Internacional de Florida en Miami.
Pese a la gran escala del trabajo, los autores son los primeros en advertir que su base de datos no es completamente inclusiva, ya que les costó reunir escáneres cerebrales de todas las regiones del mundo. Evidentemente la mayoría de escáneres cerebrales se llevan a cabo en Norteamérica y Europa, por lo que regiones como África y Sudamérica, con sus particularidades genéticas y biológicas no están representadas en justa proporción. Esto significa que los gráficos resultantes son sólo un primer borrador, y se necesitarán más ajustes para utilizarlos en entornos clínicos.
Si los gráficos acaban llegando a los pediatras, habrá que tener mucho cuidado de que no se malinterpreten, dice Hannah Tully, neuróloga pediátrica de la Universidad de Washington en Seattle. "Un cerebro grande no es necesariamente un cerebro que funcione bien", afirma.
El conjunto de datos sirve para esbozar una secuencia animada del recorrido del cerebro a lo largo de la vida humana. Con un detalle sin precedentes, captó cómo el cerebro "medio" crece velozmente durante la infancia, madura y declina con la edad, y comparó el proceso medio con el de las personas afectadas por enfermedades como el Alzheimer. Uno de los puntos más relevantes es que el estudio trató de abarcar las diferencias individuales. En lugar de una única línea nítida que represente la trayectoria de crecimiento del cerebro, los resultados son más bien múltiples bocetos en la misma dirección, cada uno único, pero que juntos forman un boceto detallado de los aspectos más destacados del desarrollo cerebral.
"Una de las cosas que hemos podido hacer, gracias a un esfuerzo global muy concertado, es unir los datos a lo largo de toda la vida. Nos ha permitido medir los cambios rápidos y tempranos que se producen en el cerebro, y el largo y lento declive a medida que envejecemos", afirma el Dr. Richard Bethlehem, de la Universidad de Cambridge, que codirige el estudio.
Actualmente, los gráficos se utilizarán principalmente para la investigación, de modo que los equipos individuales pueden indagar en el tesoro para descubrir cambios minúsculos a cualquier edad, por ejemplo, en busca de señales de advertencia de autismo, demencia u otros problemas neurológicos. Los gráficos ya cuentan con 165 etiquetas de diagnóstico diferentes como primer paso para guiar a los científicos. La base de datos es completamente abierta, por lo que puedes acceder a ella aquí, e indagar por cuenta propia sobre algunas métricas del cerebro según género y edad.
Ahora bien, lograr el objetivo de este proyecto no fue nada fácil. Pandemia mediante, para reunir los más de 120 mil escáneres, Bethlehem y Seidlitz enviaron correos electrónicos a investigadores de todo el mundo preguntándoles si querían compartir sus datos de neuroimagen para el proyecto. La gran cantidad de respuestas sorprendió a los investigadores, que la atribuyeron en gran parte a la pandemia de COVID-19, la cual cómo sabemos nos ha recluido en repetidas ocasiones, causando que los investigadores tuvieran menos tiempo en sus laboratorios y más tiempo del habitual con sus bandejas de entrada de correo electrónico. Compartir información valiosa ha sido una de las pocas maneras de salir a flote y sentirse en comunidad estos dos últimos años, y también ha sido así para la comunidad científica, como demostró la respuesta que tuvo este proyecto.
Otro de los grandes desafíos a solventar fue el de generar los parámetros adecuados para que esta enorme cantidad de información fuera analizada generando patrones de datos fiables. Esto es porque los escáneres cerebrales se realizan con distintas máquinas que poseen diversos grados de calidad de imagen y datos que pueden ser disímiles si son vistos bajo la misma lupa, pero que en el fondo podrían representar lo mismo. Para solucionar esto se necesitó una cantidad asombrosa de potencia de supercomputación, aproximadamente dos millones de horas de cálculo. "Esto no habría sido posible sin el acceso a los clusters de computación de alto rendimiento de Cambridge", dijo Seidlitz.
Si quieres los números exactos del estudio aquí van: el equipo reunió 123.894 escaneos de resonancia magnética de 101.457 personas. Los escáneres incluían cerebros de personas neurotípicas, así como de personas con diversas afecciones médicas, como la enfermedad de Alzheimer, y diferencias neurocognitivas, como el trastorno del espectro autista. Los investigadores utilizaron modelos estadísticos para extraer información de las imágenes y garantizar que los escaneos fueran directamente comparables, independientemente del tipo de máquina de IRM que se hubiera utilizado.
Uno de los principales resultados a considerar es el que se representa en este gráfico. En este se nota como el volumen de la materia gris y el grosor cortical medio (la anchura de la materia gris) alcanzan su punto máximo aproximadamente a los seis años de edad, mientras que el volumen de la materia blanca (que se encuentra a mayor profundidad en el cerebro) tiende a alcanzar su punto máximo en torno a los 30 años. Los datos sobre el volumen de líquido cefalorraquídeo en el cerebro, en particular, sorprendieron a Belén. Los científicos sabían que este volumen aumenta con la edad, porque suele estar asociado a la atrofia cerebral, pero a Bethlehem le sorprendió la rapidez con la que tiende a crecer al final de la edad adulta.
Otro punto que llamó la atención a los investigadores, ya que aportó nueva luz sobre el desarrollo del cerebro fue el contraste entre materia blanca y gris y sus ritmos de crecimiento y declive. El volumen de materia blanca -las ramificaciones que forman las redes neuronales- alcanzó su punto máximo a finales de los 20 años, con un descenso vertiginoso a los 50. Al profundizar en el tema, el equipo descubrió un cambio brusco en la cantidad de materia gris en comparación con la materia blanca que tiene un cerebro entre el primer mes de nacimiento y los tres años aproximadamente. Se trata de un punto de inflexión que estudios anteriores no habían encontrado, según el equipo.
Al analizar la desviación de las medias en algunas patologías neuronales los investigadores hallaron que el Alzheimer mostró la mayor divergencia de los parámetros regulares. Esto no fue una sorpresa: en las últimas fases, el trastorno carcome las neuronas de las partes del cerebro que controlan la memoria. La diferencia era especialmente prominente en el volumen de materia gris en los pacientes femeninos. Otros grupos que se desviaron fueron la esquizofrenia y los trastornos del estado de ánimo y la ansiedad. Gracias al conjunto de datos ahora investigadores de todas partes del mundo podrán acceder la información y comenzar a dilucidar con mayor precisión qué distingue a un cerebro “típico” de uno “atípico”.
Al ser un estudio tan amplio, pero con grandes diferencias en la procedencia de los escáneres cerebrales como mencionamos antes, los investigadores confían en que el que hayan publicado los resultados y liberado la plataforma para que científicos de todo el mundo continúen aportando sus datos, ayude a que estos sean cada vez más amplios y diversos, logrando una representación más fidedigna de las variaciones morfológicas en el cerebro humano de los habitantes de los cinco continentes.
"Es una primera pasada para establecer una tabla de referencia estandarizada para la neuroimagen. Por eso hemos construido el sitio web y creado una amplia red de colaboradores. Esperamos actualizar sistemáticamente los gráficos y desarrollar estos modelos a medida que se disponga de nuevos datos", afirma Seidlitz.
Otro punto a aclarar es que aún es pronto para que estos resultados se consideren como material clínico para tomar decisiones de diagnóstico sobre alguna patología cerebral. Estamos hablando de una enorme biblioteca digital de mapas cerebrales, sí, pero aún falta que la representación de la diversidad biológica humana sea más justa y, aparte, no es tan simple deducir trastornos neurológicos a partir de cambios en el volumen de la materia gris o blanca. Sí pueden ser una ayuda a la hora de tomar una resolución, pero los médicos y neurólogos deben hilar mucho más fino y prestar atención a otros detalles de comunidades neuronales específicas, que no son representadas con la debida precisión en estos estudios.
Para llevar a cabo una recopilación de información sobre las dinámicas específicas de comunidades neuronales que están a cargo de alguna función biológica o cumplen un importante rol regulador en relación a alguna de estas patologías, o históricamente han señalado la presencia del Alzheimer o el Parkinson, se necesita una tecnología mucho más minuciosa. Hasta ahora las alternativas parecen ser la optogenética, que consiste en alumbrar células específicas mediante una modificación genética que permite introducir iones mediante células de un alga foto sensible en neuronas específicas del cerebro, pero aún está en etapas muy tempranas de investigación y recién pasa por los primeros ensayos clínicos en humanos. La otra alternativa la ofrecen interfaces cerebro-computador invasivas, como la desarrollada por Neuralink, que conllevan un mayor riesgo, ya que implican una intervención quirúrgica que genera un agujero en el cráneo para implantar el dispositivo en la superficie cortical.
Pero, por lo mismo, ofrece una lectura de la actividad neuronal mucho más precisa, gracias al millar de electrodos que están en los nano-filamentos que penetran el espacio inter-neuronal. Esta tecnología también está a la espera de la aprobación de la FDA para comenzar sus primeros ensayos clínicos en humanos, pero cuando se comience a hacer la cantidad de información que podrán recabar los investigadores sobre las funciones de neuronas particulares será enorme.
Considerando los pros y contra de esta gran base de datos no hay duda de que es un gran punto de partida para ampliar nuestro conocimiento sobre la evolución del cerebro a lo largo de la vida humana, desde la etapa fetal hasta la vejez. Pese a que hay que ampliar la diversidad de las muestras, esta biblioteca digital de mapas cerebrales está abierta para el uso de todos, y los aportes no tardarán en llegar, así que de que será y ya está siendo una gran ayuda para el estudio del cerebro y las patologías que lo atacan, eso ya está claro.
Bibliografía:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04554-y
https://brainchart.shinyapps.io/brainchart/
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01038-x
