¿Podremos cartografiar el conectoma humano completo?

El cerebro humano es, sin duda, la estructura más compleja del universo conocido. Dentro de nuestro cráneo albergamos aproximadamente 86.000 millones de neuronas, y cada una de ellas puede conectarse con miles de sus vecinas, creando una red colosal de unos 100 billones de conexiones sinápticas. A esta intrincada red la llamamos conectoma.

Cartografiar por completo este mapa de carreteras neuronal —el «Google Maps» de nuestra mente— es el santo grial de la neurociencia moderna. La cuestión es si estamos técnicamente preparados para lograrlo, o es una quimera de la ciencia ficción.

¿Qué es el conectoma y por qué es tan importante?

El término conectoma fue acuñado en 2005 por el neurocientífico Giulio Tononi y el Dr. Patric Hagmann, haciendo una clara analogía con el genoma. Si el genoma es el libro de instrucciones biológicas de nuestro organismo, el conectoma es el esquema eléctrico de nuestra identidad: nuestros recuerdos, miedos, habilidades y la propia consciencia residen en los patrones de estas conexiones.

Comprender el conectoma a escala molecular (el llamado conectoma de alta resolución) permitiría:

-Descifrar enfermedades neurológicas: Trastornos como la esquizofrenia, el autismo, el Alzheimer o la depresión severa podrían entenderse, por fin, como «conectopatías» o fallos en el cableado cerebral.

-Avanzar en Inteligencia Artificial: Al copiar los circuitos optimizados por millones de años de evolución, podríamos diseñar arquitecturas de computación neuromórfica radicalmente más eficientes.

-Preservación digital: Abre la puerta teórica a la emulación del cerebro entero en soportes no biológicos.

(Foto: Wikimedia Commons)

El estado del arte: ¿Qué hemos mapeado hasta ahora?

Cartografiar un cerebro es una tarea de una escala colosal. Para entender la dificultad, observemos los hitos que la ciencia ha alcanzado cronológicamente:

1. Caenorhabditis elegans (1986)

El primer y único conectoma completamente terminado durante décadas fue el de este pequeño gusano nemátodo. Posee exactamente 302 neuronas y unas 7.000 sinapsis. Tardó casi 20 años en completarse mediante cortes ultrafinos de microscopía electrónica y paciencia artesanal.

2. La mosca de la fruta (Drosophila melanogaster)

En los últimos años, consorcios internacionales han logrado hitos asombrosos. Recientemente, investigadores del Campus de Investigación Janelia (HHMI) y otros centros lograron mapear el cerebro de la mosca de la fruta: unas 130.000 neuronas y decenas de millones de sinapsis.

3. El fragmento de cerebro humano de Google y Harvard

El mayor logro en tejido humano se publicó recientemente. Investigadores de Harvard y Google AI escanearon un milímetro cúbico de córtex cerebral humano (procedente de una biopsia de una paciente epiléptica).

-El volumen: Menos que un grano de arroz.

-Los datos: 1,4 petabytes de información (1.400 Terabytes).

-El contenido: 57.000 neuronas y 150 millones de sinapsis.

Si un solo milímetro cúbico requiere tal cantidad de datos, procesar un cerebro humano completo (que mide aproximadamente un millón de milímetros cúbicos) nos enfrenta a un verdadero abismo tecnológico.

Los tres grandes desafíos para el mapa completo

Para que la neurociencia pueda responder «sí» a la pregunta de si podremos mapear el conectoma humano, la tecnología debe superar tres barreras críticas:

1. El reto del almacenamiento y la computación

Un cerebro humano completo digitalizado a la resolución necesaria para ver las sinapsis ocuparía alrededor de un zettabyte de datos (10²¹ bytes). Esto equivale a una cantidad masiva de todo el tráfico digital global actual. No tenemos dónde guardar esa información, ni superordenadores capaces de procesar los algoritmos de Inteligencia Artificial necesarios para reconstruir las imágenes sin colapsar las redes eléctricas.

2. La velocidad de la microscopía electrónica

La técnica estándar actual consiste en congelar el tejido cerebral, cortarlo con una cuchilla de diamante en láminas miles de veces más delgadas que un cabello humano, y escanearlas con un haz de electrones. Al ritmo actual, escanear un solo cerebro humano tardaría décadas, si no siglos, de funcionamiento ininterrumpido de los microscopios más avanzados.

3. La naturaleza dinámica del cerebro

Aquí radica el giro conceptual más fascinante: el cerebro no es un circuito rígido de cobre. Es plástico. Mientras lees este artículo, tus sinapsis están cambiando; unas se debilitan y otras se fortalecen. Un conectoma estático sería como una fotografía de una autopista: te dice por dónde pueden ir los coches, pero no hacia dónde viajan ni cómo cambia el tráfico en tiempo real.

Perspectivas de futuro: ¿Cuándo lo lograremos?

La mayoría de los expertos coinciden en que ver un conectoma humano completo a nivel de resolución sináptica (microconectoma) es inviable con la tecnología de la presente década. Sin embargo, la ciencia avanza mediante saltos exponenciales.

Actualmente, proyectos como el Human Connectome Project trabajan a una escala diferente: el macroconectoma. Utilizan tecnologías no invasivas como la Resonancia Magnética de Difusión (dMRI) para mapear las «grandes autopistas» que conectan las diferentes regiones cerebrales en sujetos vivos. No vemos las neuronas individuales, pero sí los flujos de información principales.

Es muy probable que los primeros conectomas completos de mamíferos más complejos (como el ratón, un proyecto ya en marcha) lleguen en los próximos años. El salto al ser humano requerirá previsiblemente el desarrollo de la computación cuántica, nuevos métodos de escaneo óptico mediante física de sistemas complejos y sistemas de IA infinitamente más potentes.