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Conectómica

La conectómica es la producción y el estudio de los conectomas : mapas completos de conexiones dentro del sistema nervioso de un organismo . De manera más general, se puede cons...

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La conectómica es la producción y el estudio de los conectomas : mapas completos de conexiones dentro del sistema nervioso de un organismo . De manera más general, se puede considerar como el estudio de los diagramas de cableado neuronal con un enfoque en cómo la conectividad estructural, las sinapsis individuales, la morfología celular y la ultraestructura celular contribuyen a la composición de una red. El sistema nervioso es una red formada por miles de millones de conexiones y estas conexiones son responsables de nuestros pensamientos, emociones, acciones, recuerdos, funciones y disfunciones. Por lo tanto, el estudio de la conectómica tiene como objetivo avanzar en nuestra comprensión de la salud mental y la cognición al comprender cómo las células del sistema nervioso están conectadas y se comunican. Debido a que estas estructuras son extremadamente complejas, los métodos dentro de este campo utilizan una aplicación de alto rendimiento de imágenes neuronales funcionales y estructurales, más comúnmente imágenes por resonancia magnética (IRM), microscopía electrónica y técnicas histológicas para aumentar la velocidad, la eficiencia y la resolución de estos mapas del sistema nervioso. Hasta la fecha, se han recopilado decenas de conjuntos de datos a gran escala que abarcan el sistema nervioso, incluidas las diversas áreas de la corteza, el cerebelo, [1] [2] la retina, [3] el sistema nervioso periférico [4] y las uniones neuromusculares . [5]

En términos generales, existen dos tipos de conectomas: macroescala y microescala. La conectomia macroescala se refiere al uso de datos de resonancia magnética funcional y estructural para mapear grandes tractos de fibras y áreas funcionales de materia gris dentro del cerebro en términos de flujo sanguíneo (funcional) y difusividad del agua (estructural). La conectomia microescala es el mapeo del conectoma completo de organismos pequeños mediante microscopía e histología. Es decir, todas las conexiones que existen en su sistema nervioso central.

Métodos

La resonancia magnética de difusión se utiliza para evaluar la conectómica a macroescala dentro del cerebro humano. Las series de imágenes dMRI se utilizan para mapear los tractos de materia blanca y las series fMRI se utilizan para evaluar cómo se correlaciona el flujo sanguíneo entre las áreas de materia gris conectadas.

Conectómica a macroescala

Los conectomas a macroescala se recopilan comúnmente mediante imágenes por resonancia magnética ponderada por difusión (dMRI o DW-MRI) e imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI). Los conjuntos de datos de dMRI pueden abarcar todo el cerebro, generando imágenes de la materia blanca entre la corteza y la subcorteza, lo que proporciona información sobre la difusión de las moléculas de agua en el tejido cerebral y permite a los investigadores inferir la orientación e integridad de las vías de la materia blanca. [6] La dMRI se puede utilizar junto con la tractografía, donde permite la reconstrucción de los tractos de materia blanca en el cerebro. [6] Lo hace midiendo la difusión de las moléculas de agua en múltiples direcciones, ya que la dMRI puede estimar las orientaciones de las fibras locales y generar un modelo de las vías de las fibras del cerebro. [6] Mientras tanto, los algoritmos de tractografía trazan las trayectorias probables de estas vías, lo que proporciona una representación de la conectividad anatómica del cerebro. [6] Se pueden calcular métricas como la anisotropía fraccional (AF), la difusividad media (MD) o la fuerza de conectividad a partir de datos de dMRI para evaluar las propiedades microestructurales de la materia blanca y cuantificar la fuerza de las conexiones (de largo alcance) entre las regiones del cerebro. [7]

A diferencia de la dMRI, los conjuntos de datos de fMRI miden el flujo sanguíneo cerebral en el cerebro, como un marcador de activación neuronal. Uno de los beneficios de la MRI es que ofrece información in vivo sobre la conectividad entre diferentes áreas del cerebro. La fMRI mide la señal dependiente del nivel de oxigenación sanguínea (BOLD), que refleja los cambios en el flujo sanguíneo cerebral y la oxigenación asociados con la actividad neuronal, tal como lo regula la unidad neurovascular . [8] El análisis de conectividad funcional en estado de reposo (RSFC) es un método común para medir los conectomas utilizando fMRI que implica la adquisición de datos de fMRI mientras el sujeto está en reposo y no realiza ninguna tarea o estímulo específico. [9] La RSFC examina la correlación temporal de las señales BOLD entre diferentes regiones del cerebro (después de tener en cuenta el efecto de confusión de otras regiones), lo que proporciona información sobre la conectividad funcional. [8]

La neuromodulación permite a los médicos utilizar técnicas de estimulación para tratar trastornos neurológicos y psiquiátricos, como el trastorno depresivo mayor (TDM), el Alzheimer y la esquizofrenia, al tiempo que proporciona información sobre el conectoma. [10] En concreto, la estimulación magnética transcraneal (EMT) es una técnica de neuromodulación no invasiva que aplica pulsos magnéticos fuertes entre electrodos del cuero cabelludo que se dirigen a regiones cerebrales específicas con corrientes eléctricas. [11]  Esto puede interrumpir o mejorar temporalmente la actividad de áreas cerebrales específicas y observar cambios en la conectividad. [11] La estimulación transcraneal con corriente continua (ETDC) es otra técnica de neuromodulación no invasiva que aplica una corriente eléctrica constante pero relativamente débil durante unos minutos, modulando la excitabilidad neuronal. [12] Permite a los investigadores investigar la relación causal entre las regiones cerebrales objetivo y los cambios en la conectividad. [12] La tDCS aumenta la conectividad funcional dentro del cerebro, con un sesgo hacia redes específicas (por ejemplo, procesamiento cortical), e incluso puede causar cambios estructurales en la materia blanca a través de la mielinización y en la materia gris a través de la plasticidad sináptica. [12] Otra técnica de neuromodulación es la estimulación cerebral profunda (ECP), una técnica invasiva que implica la implantación quirúrgica de electrodos en regiones cerebrales específicas para aplicar impulsos eléctricos localizados de alta frecuencia. [13] Esta técnica modula las redes cerebrales y a menudo se utiliza para aliviar los síntomas motores de trastornos como el Parkinson, el temblor esencial y la distonía. [14] La conectividad funcional y estructural entre electrodos se puede utilizar para predecir los resultados del paciente y estimar perfiles de conectividad óptimos. [13]

Métodos electrofisiológicos

Los métodos electrofisiológicos miden la diferencia de señales de diferentes partes del cerebro para estimar la conectividad entre ellas, un proceso que requiere una baja relación señal-ruido para mantener la precisión de las mediciones y una resolución espacial suficiente para sustentar la conectividad entre regiones específicas del cerebro. [15] Estos métodos ofrecen información sobre la dinámica neuronal en tiempo real y la conectividad funcional entre regiones cerebrales. La electroencefalografía (EEG) mide las diferencias en el potencial eléctrico generado por corrientes oscilantes en la superficie del cuero cabelludo, debido a la colocación externa no invasiva de los electrodos. [16] Mientras tanto, la magnetoencefalografía (MEG) se basa en los campos magnéticos generados por la actividad eléctrica del cerebro para recopilar información. [16]

La conectómica a macroescala ha mejorado nuestra comprensión de varias redes cerebrales , incluidas las redes visuales, [17] [18] del tronco encefálico, [19] [20] y del lenguaje, [21] [22] entre otras.

Conectómica a microescala

Por otra parte, los conectomas a microescala se centran en resolver la conectividad de célula a célula individual dentro de volúmenes mucho más pequeños de tejido del sistema nervioso. Estos conjuntos de datos se recopilan comúnmente mediante microscopía electrónica (ME) y ofrecen resolución de sinapsis individuales. El primer conectoma a microescala que abarca un sistema nervioso completo se produjo para el nematodo C. elegans en 1986. [23] Esto se hizo anotando manualmente las impresiones de los escaneos ME. [23] Los avances en la adquisición ME, la alineación y segmentación de imágenes y la manipulación de grandes conjuntos de datos han permitido desde entonces obtener imágenes y segmentar volúmenes más grandes con mayor facilidad. La EM se ha utilizado para producir conectomas a partir de una variedad de muestras del sistema nervioso, incluidos conjuntos de datos disponibles públicamente que abarcan todo el cerebro [24] y el cordón nervioso ventral [25] [26] de la Drosophila melanogaster adulta , el sistema nervioso central completo (cerebro conectado y cordón nervioso ventral) de la Drosophila melanogaster larvaria , [27] y volúmenes de corteza de ratón [28] y humana. [29] [30] Los Institutos Nacionales de Salud (NIH) ahora han invertido en la creación de un conectoma EM de un cerebro de ratón completo. [31]

La microscopía electrónica es la técnica de obtención de imágenes que proporciona la resolución espacial más alta, lo que es crucial para poder recuperar sitios presinápticos y postsinápticos, así como detalles morfológicos finos. Sin embargo, otras modalidades de obtención de imágenes se están acercando a la resolución a escala nanométrica necesaria para la conectómica a microescala. La nanotomografía de rayos X que utiliza una fuente de sincrotrón ahora puede alcanzar una resolución de <100 nm y, en teoría, puede seguir mejorando. [32] A diferencia de la EM, esta técnica no requiere que el tejido del que se está obteniendo la imagen se tiñe con metales pesados ​​o se secciona físicamente. [32] La microscopía óptica convencional está limitada por la difracción de luz. Los investigadores han utilizado recientemente la microscopía de agotamiento de emisión estimulada ( STED ), una técnica de microscopía óptica de súper resolución , para obtener imágenes del espacio extracelular de una muestra del hipocampo de ratón, lo que permite la reconstrucción de todas las neuritas dentro de este volumen. [33] Luego, volvieron a tomar imágenes del mismo tejido en busca de marcadores sinápticos marcados con fluorescencia para encontrar conectividad sináptica en la muestra. [33] Sin embargo, este enfoque estaba limitado a una resolución de ~130 nm y, por lo tanto, no pudo resolver axones delgados. [33]

Herramientas

Una de las principales herramientas utilizadas para la investigación conectómica a nivel macroescalar es la resonancia magnética . [34] Cuando se utilizan juntos, un conjunto de datos de fMRI en estado de reposo y un dMRI proporcionan una visión integral de cómo las regiones del cerebro están conectadas estructuralmente y cuán estrechamente se comunican. [35] [36]

La principal herramienta para la investigación en conectómica a nivel de microescala es la preservación química del cerebro seguida de la microscopía electrónica 3D [37] , utilizada para la reconstrucción de circuitos neuronales . La microscopía correlativa , que combina la fluorescencia con la microscopía electrónica 3D, produce datos más interpretables, ya que es capaz de detectar automáticamente tipos específicos de neuronas y puede rastrearlas en su totalidad utilizando marcadores fluorescentes. [38]

Además de las técnicas avanzadas de microscopía, la conectómica depende en gran medida de herramientas de análisis de software y de procesos de aprendizaje automático para reconstruir y analizar redes neuronales. Estas herramientas están diseñadas para procesar e interpretar las enormes cantidades de datos generados por la microscopía electrónica de volumen y otros métodos de obtención de imágenes. Los pasos clave en la reconstrucción conectómica incluyen la segmentación de imágenes , donde se identifican y anotan las neuronas individuales y sus componentes, y el mapeo de redes, donde se establecen las conexiones entre estas neuronas. [39]

Varias plataformas de software facilitan estas tareas. CATMAID (Collaborative Annotation Toolkit for Massive Amounts of Image Data) es una interfaz web descentralizada que permite una navegación fluida por grandes pilas de imágenes. Está diseñada para facilitar la exploración colaborativa, la anotación y el uso compartido eficiente de regiones de interés mediante marcadores. [40] Otro ejemplo es WEBKNOSSOS , una plataforma en línea utilizada para ver, anotar y compartir imágenes 3D de gran tamaño, que ayuda en el análisis detallado de estructuras neuronales al permitir una navegación y anotación eficientes de conjuntos de datos 3D. [41] Neuroglancer, una herramienta basada en la web diseñada para visualizar y navegar por datos de neurociencia a gran escala, ofrece funciones como renderizado 3D y exploración interactiva de conjuntos de datos cerebrales.

Para ver uno de los primeros microconectomas en resolución completa, visite el Proyecto Open Connectome, que alberga varios conjuntos de datos de conectomas, incluido el conjunto de datos de 12 TB de Bock et al. (2011).

Conectómica comparativa

La conectómica comparativa es un subcampo de la neurociencia que se centra en comparar los conectomas, o mapas de redes neuronales, entre diferentes especies, etapas de desarrollo o estados patológicos. [42] Este enfoque comparativo tiene como objetivo descubrir los principios fundamentales de la organización y el funcionamiento del cerebro mediante la identificación de patrones conservados y divergentes en los circuitos neuronales. Al analizar las similitudes y diferencias en los diagramas de cableado de varios organismos, los investigadores pueden obtener información sobre los procesos evolutivos que dan forma al sistema nervioso, así como sobre la base neuronal del comportamiento y la cognición. Por ejemplo, un estudio de 2022 que compara la conectividad sináptica en la corteza del ratón y del ser humano/macaco reveló que, aunque la corteza humana contiene tres veces más interneuronas que la corteza del ratón, la relación excitación-inhibición es similar entre las especies. [30]

Sistemas modelo

Además del cerebro humano, algunos de los sistemas modelo utilizados para la investigación conectómica son el ratón , [43] la mosca de la fruta , [44] [45] el nematodo C. elegans , [46] [47] y la lechuza común . [48]

Caenorhabditis Elegans

El gusano redondo Caenorhabditis Elegans es un organismo muy investigado en el campo de la conectómica, del cual se ha mapeado un conectoma completo utilizando varias técnicas de imagen, principalmente microscopía electrónica en serie; [49] Este proceso implicó estudiar el proceso de envejecimiento del cerebro de C. elegans comparando diferentes gusanos desde el nacimiento hasta la edad adulta. [50] Los investigadores encontraron que el cambio más grande con la edad son los circuitos de cableado, y que la conectividad entre y dentro de las regiones cerebrales aumenta con la edad. [50] Independientemente del logro masivo de mapear el conectoma completo de C. Elegans, aún queda más información por descubrir sobre esta red cerebral; Los investigadores notaron que esto se puede hacer utilizando conectómica comparativa, comparando y contrastando las redes cerebrales de diferentes especies para identificar relaciones en el comportamiento. [50]

El sistema nervioso del C. elegans es simple y la recolección de datos es más fácil. Un estudio creó un código que busca las conexiones dentro del conectoma mapeado del C. elegans, ya que estos datos ya están disponibles. Los hallazgos permitieron recopilar información sobre neuronas sensoriales, interneuronas, neuronas motoras del cuello, comportamiento, influencias ambientales y más en profundidad. [51] En general, el experimento investiga la conexión entre la neuroanatomía y el comportamiento, dado que ya se ha descubierto mucha información disponible sobre el gusano. [51]

Para dar contexto, el gusano redondo C. elegans tiene 302 neuronas y 5000 conexiones sinápticas, mientras que el cerebro humano tiene 100 mil millones de neuronas y más de 100 billones de sinapsis químicas. [52] El conectoma humano aún no ha sido completamente mapeado y un factor limitante es la gran cantidad de recopilación de datos que esto requerirá, además de la complejidad de comparar conectomas individuales dado el gran grado de variación en los circuitos neuronales humanos. [53]

Mosca de la fruta

En la última década, en gran medida debido a los avances tecnológicos en la recopilación de datos EM y el procesamiento de imágenes, se han generado múltiples conjuntos de datos de conectomas a escala de sinapsis para la mosca de la fruta Drosophila melanogaster en sus formas adulta y larvaria.

El conjunto de datos actual más grande es la segmentación y anotación de FlyWire del volumen del cerebro de la mosca adulta hembra (FAFB), [24] que abarca todo el cerebro de un adulto. El volumen de FAFB fue fotografiado por un equipo en el Campus de Investigación Janelia utilizando un novedoso proceso de microscopía electrónica de transmisión de secciones en serie (ssTEM) de alto rendimiento . [45] El laboratorio del Dr. Sebastian Seung en Princeton utilizó redes neuronales convolucionales (CNN) para segmentar automáticamente las neuronas y detectar sitios pre y postsinápticos en el volumen. Esta versión automatizada se utilizó luego como punto de partida para un esfuerzo comunitario masivo entre neurocientíficos de moscas para corregir morfologías neuronales corrigiendo errores y agregando información sobre el tipo de célula y otros atributos. [54] Este esfuerzo fue realizado por FlyWire, dirigido por el Dr. Sebastian Seung y la Dra. Mala Murthy (también en el Instituto de Neurociencia de Princeton ), junto con un gran equipo de otros científicos y laboratorios llamado Consorcio FlyWire. [54] [55] El conectoma cerebral completo producido mediante este esfuerzo ahora está disponible públicamente y se puede buscar a través del FlyWire Codex. [56] [57]

Otro conjunto de datos del cerebro adulto disponible es el Hemibrain, generado como una colaboración entre el equipo Janelia FlyEM y Google . [58] [59] Este conjunto de datos es una sección incompleta pero grande del cerebro central de la mosca. Se recopiló utilizando microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocado (FIB-SEM) que generó un conjunto de datos isotrópicos de 8 nm, luego se segmentó automáticamente utilizando una red de llenado de inundación antes de ser corregido manualmente por un equipo de expertos. Este conjunto de datos también está disponible públicamente y se puede buscar en una plataforma llamada neuPrint. [60] Los miembros de la comunidad de conectómica de moscas han hecho un esfuerzo para hacer coincidir los tipos de células entre FlyWire y el Hemibrain. Han descubierto que en la primera pasada, el 61% de los tipos de Hemibrain se encuentran en el conjunto de datos FlyWire y, de estos tipos de células de consenso, el 53% de los "bordes" de un tipo de célula a otro se pueden encontrar en ambos conjuntos de datos (pero los bordes conectados por al menos 10 sinapsis se encuentran de manera mucho más consistente en todos los conjuntos de datos). [61]

También hay actualmente dos conjuntos de datos disponibles públicamente del cordón nervioso ventral (VNC) de la mosca adulta. El cordón nervioso de la hembra adulta (FANC) fue recolectado usando ssTEM de alto rendimiento por el laboratorio del Dr. Wei-Chung Allen Lee en la Facultad de Medicina de Harvard . [4] Luego se sometió a segmentación automática y predicción de sinapsis usando CNN, y los investigadores de Harvard y la Universidad de Washington mapearon neuronas motoras con cuerpos celulares en el VNC a sus objetivos musculares mediante referencias cruzadas entre el conjunto de datos EM, un volumen de imagen nanotomográfica de alta resolución de la pata de la mosca y líneas genéticas dispersas para etiquetar neuronas individuales con proteínas fluorescentes . [62] El conjunto de datos FANC está actualmente parcialmente revisado y anotado. El cordón nervioso del macho adulto (MANC) fue recolectado y segmentado en Janelia usando FIB-SEM y protocolos de red de llenado de inundación modificados de la tubería Hemibrain. [26] En una colaboración entre investigadores de Janelia, Google, la Universidad de Cambridge y el Laboratorio de Biología Molecular (LMB) del MRC, está completamente revisado y anotado con tipos de células y otras propiedades, y se puede buscar en neuPrint. [63]

El conectoma de un sistema nervioso central completo (cerebro conectado y VNC) de una larva de D. melanogaster de primer estadio se recopiló en un solo volumen. Esto se llevó a cabo nuevamente en Janelia utilizando FIB-SEM, de manera similar a la recopilación de datos de Hemibrain. [27] Este conjunto de datos de 3016 neuronas fue segmentado y anotado manualmente utilizando CATMAID por un equipo de personas liderado principalmente por investigadores de Janelia, Cambridge y el MRC LMB. [27]

Ratón

Una base de datos en línea conocida como MouseLight muestra más de 1000 neuronas mapeadas en el cerebro del ratón basándose en una base de datos colectiva de imágenes de resolución submicrónica de estos cerebros. Esta plataforma ilustra el tálamo, el hipocampo, la corteza cerebral y el hipotálamo basándose en proyecciones de células individuales. [64] La tecnología de imágenes para producir este cerebro de ratón no permite una mirada en profundidad a las sinapsis, pero puede mostrar arborizaciones axónicas que contienen muchas sinapsis. [65] Un factor limitante para estudiar los conectomas del ratón, al igual que con los humanos, es la complejidad de etiquetar todos los tipos de células del cerebro del ratón; este es un proceso que requeriría la reconstrucción de más de 100.000 neuronas y la tecnología de imágenes es lo suficientemente avanzada para hacerlo. [65]

Los modelos de ratones en el laboratorio han proporcionado información sobre los trastornos genéticos cerebrales; en un estudio se manipularon ratones con una deleción del cromosoma 22q11.2 (un probable factor de riesgo genético conocido que conduce a la esquizofrenia). [66] Los hallazgos de este estudio mostraron que esta actividad neuronal deteriorada en la memoria de trabajo de los ratones es similar a lo que ocurre en los humanos. [66]

Laboratorios líderes en conectómica

El Laboratorio Lichtman de la Universidad de Harvard es una fuerza líder en el campo de la conectómica, que investiga cómo la conectividad sináptica y la competencia cambian con la edad utilizando técnicas de imagen avanzadas en organismos modelo como ratones, peces cebra y C. elegans. [67] Este laboratorio está dirigido por el neurocientífico, profesor de Harvard e investigador de renombre, Jeff Lichtman. La investigación del Laboratorio Lichtman tuvo un gran impacto en el campo de la conectómica a partir del desarrollo de Brainbrow, que también tuvo una expansión derivada hacia la tecnología Zebrabow a partir de su trabajo con peces cebra. [68] Esta es una técnica de imagen in vivo que utiliza el etiquetado celular multicolor que permite a los investigadores distinguir por tipo de célula y vía utilizando diferentes líneas Cre. [65]

Otro laboratorio notable es el Laboratorio Lee de la Facultad de Medicina de Harvard, cuyo objetivo es estudiar cómo se organizan las redes neuronales por función basándose en la actividad observada de estos circuitos en organismos modelo, un campo conocido como "conectómica funcional". [69]

Aplicaciones

Matriz de conectividad que evalúa la conectividad funcional entre cada región cerebral en la red neuronal por defecto (DMN). Aquí, los tonos de rojo indican un acoplamiento más fuerte entre dos regiones donde el flujo sanguíneo cambia, y los tonos de azul indican una anticorrelación entre dos regiones.

Al comparar los conectomas enfermos y sanos, podemos obtener información sobre ciertas psicopatologías, como el dolor neuropático , y las posibles terapias para ellas. En general, el campo de la neurociencia se beneficiaría de la estandarización y los datos sin procesar. Por ejemplo, los mapas de conectomas se pueden utilizar para informar modelos computacionales de dinámica de todo el cerebro. [70] [ ¿ Fuente autopublicada? ] Las redes neuronales actuales se basan principalmente en representaciones probabilísticas de patrones de conectividad. [71] Las matrices de conectividad (diagramas de tablero de ajedrez de conectómica) se han utilizado en la recuperación de accidentes cerebrovasculares para evaluar la respuesta al tratamiento mediante estimulación magnética transcraneal . [72] De manera similar, los conectogramas (diagramas circulares de conectómica) se han utilizado en casos de lesión cerebral traumática para documentar el alcance del daño a las redes neuronales. [73] [74]

Al examinar estos métodos de investigación, se puede obtener información sobre diferentes enfermedades mentales y trastornos cerebrales. El seguimiento de las redes cerebrales en relación con las enfermedades y dolencias se vería mejorado gracias a estas tecnologías avanzadas que pueden producir imágenes complejas de redes neuronales. [75] Con esto en mente, no solo se pueden rastrear las enfermedades, sino también predecirlas en función del comportamiento de casos anteriores, un proceso que llevaría un período extenso de tiempo para recopilar y registrar. [75] En concreto, los estudios sobre diferentes trastornos cerebrales, como la esquizofrenia y el trastorno bipolar, centrados en la conectómica implicada, revelan información. Ambos trastornos tienen un origen genético similar, [75] [76] y la investigación descubrió que aquellos con puntuaciones poligénicas más altas para la esquizofrenia y el trastorno bipolar tienen cantidades más bajas de conectividad mostradas a través de neuroimagen. [77] Este método de investigación aborda aplicaciones del mundo real de la conectómica, combinando métodos de obtención de imágenes con la genética para profundizar en los orígenes y los resultados de los trastornos relacionados genéticamente. [75]   Otro estudio apoya el hallazgo de que existe una relación entre la conectividad y la probabilidad de enfermedad, ya que los investigadores encontraron que aquellos diagnosticados con esquizofrenia tienen redes cerebrales estructuralmente menos completas. [78] El principal inconveniente en esta área de la conectómica es no poder lograr imágenes de redes de todo el cerebro, por lo tanto, es difícil hacer suposiciones completas y precisas sobre la causa y el efecto de las vías neuronales de las enfermedades. [78] La conectómica se ha utilizado para estudiar pacientes con accidentes cerebrovasculares utilizando imágenes de resonancia magnética, sin embargo, debido a que se realiza tan poca investigación en esta área específica, no se pueden sacar conclusiones sobre la relación entre los accidentes cerebrovasculares y la conectividad. [79] La investigación encontró resultados que resaltan una asociación entre la mala conectividad en el sistema del lenguaje y la mala coordinación motora, sin embargo, los resultados no fueron lo suficientemente sustanciales como para hacer una afirmación audaz. [79] Para los trastornos de conducta, puede ser difícil de diagnosticar y tratar porque la mayoría de las situaciones giran en torno a un enfoque basado en los síntomas. Sin embargo, esto puede ser difícil porque muchos trastornos tienen síntomas superpuestos. La conectómica se ha utilizado para encontrar neuromarcadores asociados con el trastorno de ansiedad social (TAS) con una alta tasa de precisión en la mejora de los síntomas relacionados. [80] Este es un campo en expansión y hay espacio para una mayor aplicación a los trastornos de salud mental y al mal funcionamiento cerebral, en los que la investigación actual se basa en las redes neuronales y la psicopatología involucrada. [81]

El conectoma humano puede verse como un grafo , y las ricas herramientas, definiciones y algoritmos de la teoría de grafos pueden aplicarse a estos grafos. Comparando los conectomas (o grafos cerebrales) de mujeres y hombres sanos, Szalkai et al. [82] [83] han demostrado que en varios parámetros teóricos de grafos profundos, el conectoma estructural de las mujeres está significativamente mejor conectado que el de los hombres. Por ejemplo, el conectoma de las mujeres tiene más aristas, mayor ancho de bipartición mínimo, mayor eigengap y mayor cobertura mínima de vértices que el de los hombres. El ancho mínimo de bipartición (o, en otras palabras, el corte equilibrado mínimo ) es una medida bien conocida de la calidad de las redes de interconexión multietapa de computadoras , describe los posibles cuellos de botella en la comunicación de la red: Cuanto mayor sea este valor, mejor será la red. El eigengap más grande muestra que el conectoma femenino es un mejor grafo expansor que el conectoma de los hombres. La mejor propiedad de expansión, el mayor ancho mínimo de bipartición y la mayor cobertura mínima de vértices muestran profundas ventajas en la conectividad de red en el caso del cerebro gráfico femenino.

También se han introducido medidas locales de diferencia entre poblaciones de esos gráficos (por ejemplo, para comparar grupos de casos versus grupos de control). [84] Estas se pueden encontrar utilizando una prueba t ajustada , [85] o un modelo de escasez, [84] con el objetivo de encontrar conexiones estadísticamente significativas que sean diferentes entre esos grupos.

Los conectomas humanos tienen una variabilidad individual, que se puede medir con la función de distribución acumulativa , como se mostró en. [86] Al analizar la variabilidad individual de los conectomas humanos en distintas áreas cerebrales, se encontró que los lóbulos frontal y límbico son más conservadores, y los bordes en los lóbulos temporal y occipital son más diversos. Se detectó una distribución conservadora/diversa "híbrida" en el lóbulo paracentral y el giro fusiforme. También se evaluaron áreas corticales más pequeñas: se encontró que los giros precentrales eran más conservadores, y los giros poscentral y temporal superior eran muy diversos.

Comparación con la genómica

Los recientes avances en el campo de la conectómica han suscitado un debate sobre su relación con el campo de la genómica. Recientemente, los científicos del campo han destacado los paralelismos entre este proyecto y las iniciativas genómicas a gran escala. [87] Además, han hecho referencia a la necesidad de integración con otras disciplinas científicas, en particular la genética. Mientras que la genómica se centra en el modelo genético de un organismo, la conectómica proporciona información sobre la conectividad estructural y funcional del cerebro. Al integrar estos dos campos, los investigadores pueden explorar cómo las variaciones genéticas y los patrones de expresión génica influyen en el cableado y la organización de los circuitos neuronales. [88] Este enfoque interdisciplinario ayuda a descubrir la relación entre los genes, la conectividad neuronal y la función cerebral. Además, la conectómica puede beneficiarse de la genómica al aprovechar las herramientas y técnicas genéticas para manipular genes específicos o poblaciones neuronales para estudiar su impacto en los circuitos neuronales y el comportamiento. [87] Comprender la base genética de la conectividad neuronal puede mejorar nuestra comprensión del desarrollo cerebral, la plasticidad neuronal y los mecanismos subyacentes a varios trastornos neurológicos.

El proyecto del genoma humano enfrentó inicialmente muchas de las críticas mencionadas, pero aun así se completó antes de lo previsto y ha dado lugar a muchos avances en genética. Algunos han sostenido que se pueden hacer analogías entre la genómica y la conectómica, y por lo tanto deberíamos ser al menos un poco más optimistas sobre las perspectivas de la conectómica. [89] Otros han criticado los intentos de lograr un conectoma a microescala, argumentando que no tenemos suficiente conocimiento sobre dónde buscar información, o que no se puede completar en un marco temporal realista. [90]

Proyecto Conectoma Humano

El Proyecto Conectoma Humano (HCP, por sus siglas en inglés) es una iniciativa lanzada en 2009 por los Institutos Nacionales de Salud (NIH, por sus siglas en inglés) para mapear las vías neuronales que subyacen al funcionamiento del cerebro humano. [91] El objetivo era obtener y distribuir información sobre las conexiones estructurales y funcionales dentro del cerebro humano, mejorando los métodos de imagenología y análisis para mejorar la resolución y la practicidad en el ámbito de la conectómica. [91] Al comprender los patrones de cableado dentro y entre los individuos, los investigadores esperan desentrañar las señales eléctricas que dan lugar a nuestros pensamientos, emociones y comportamientos. Otros programas dentro de la Iniciativa Conectoma, como el Conectoma de la vida útil y el Conectoma de la enfermedad, se centran en mapear las conexiones cerebrales en diferentes grupos de edad y estudiar las variaciones del conectoma en individuos con diagnósticos clínicos específicos. [91] El Centro de coordinación del conectoma sirve como un repositorio centralizado para los datos del HCP y brinda apoyo a los investigadores. [91] El éxito de este proyecto ha abierto la puerta a la comprensión de cómo la conectoma podría ser influyente en otras áreas de la neurociencia. Recientemente se ha hecho referencia al potencial de un proyecto "Connectome II", que se centraría en el desarrollo de un escáner diseñado para estudios de alto rendimiento que involucraran a múltiples sujetos. [92] El proyecto apuntaría a utilizar los avances recientes en tecnologías de visualización para lograr una mayor resolución espacial en la obtención de imágenes de conectividad estructural. [92] Los avances en esta área también podrían implicar la incorporación de tecnología móvil portátil para adquirir varios tipos de datos de comportamiento, complementando la información de neuroimagen recopilada por el escáner. [92]

Juego Eyewire

Eyewire es un juego en línea desarrollado por el científico estadounidense Sebastian Seung de la Universidad de Princeton . Utiliza la computación social para ayudar a mapear el conectoma del cerebro. Ha atraído a más de 130.000 jugadores de más de 100 países.

Conjuntos de datos públicos

Sitios web para explorar conjuntos de datos conectómicos disponibles públicamente:

Conectómica a macroescala (conjuntos de datos de adultos jóvenes sanos)

  • Proyecto Conectoma Humano Jóvenes Adultos
  • Colección de resonancia magnética del Amsterdam Open
  • Proyecto de superestructura genómica del cerebro de Harvard

Para obtener una lista más completa de conjuntos de datos abiertos a macroescala, consulte este artículo

Conectómica a microescala

  • Conectoma completo de C. elegans
  • Hemicerebro de mosca NeuPRINT
  • Flywire (cerebro completo de la mosca)
  • MICrONS Explorer (datos corticales del ratón)
  • Versión del navegador H01 (datos corticales humanos)
  • Comparación conectómica de la corteza del ratón y del ser humano (datos corticales de ratón, macaco y humano)

Véase también

Referencias

  1. ^ Quartarone A, Cacciola A, Milardi D, Ghilardi MF, Calamuneri A, Chillemi G, et al. (febrero de 2020). "Nuevos conocimientos sobre el conectoma cortico-basal-cerebeloso: consideraciones clínicas y fisiológicas". Cerebro . 143 (2): 396–406. doi : 10.1093/cerebro/awz310 . PMID  31628799.
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Lectura adicional

  • Hagmann P, Cammoun L, Gigandet X, Meuli R, Honey CJ, Wedeen VJ, et al. (julio de 2008). Friston KJ (ed.). "Mapeo del núcleo estructural de la corteza cerebral humana". PLOS Biology . 6 (7): e159. doi : 10.1371/journal.pbio.0060159 . PMC  2443193 . PMID  18597554.
  • "Nuevo mapa identifica el núcleo del cerebro humano". Brain Mysteries . 2 de julio de 2008. Archivado desde el original el 3 de julio de 2008.
  • El plan de los NIH para la investigación en neurociencia
  • Charla TED de Sebastian Seung : "Yo soy mi conectoma".
  • braingraph.org: una base de datos de cientos de gráficos cerebrales, calculados a partir de los datos del Proyecto Conectoma Humano
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