viernes, 21 de junio de 2013

BigBrain Atlas Unveiled


by Emily Underwood on 20 June 2013, 2:30 PM | 9 Comments

We'll never know her name or what she did for a living. All we know is her age at death—65—and that she had no known neurological diseases. Now, after 10 years of painstaking study of this woman's brain, scientists present her parting gift to science: BigBrain, the first 3D digital atlas that reveals the organ in microscopic detail.

For more than a century, neuroscientists have largely relied on 2D anatomical drawings of the brain based on work completed in the early 1900s, says lead author Katrin Amunts, a neuroanatomist at the Research Centre Jülich in Germany. Although some digitized, 3D reference models are available, they don't have the resolution needed to show brain tissue at the neuronal level, and they often have gaps, adds Joseph Masdeu, a neuroimaging expert at the National Institutes of Health in Bethesda, Maryland, who wasn't involved in the research. He compares previous atlases to an understocked library because too often "the book you need is not there."

Dissecting and then digitally reconstructing a human brain is a long and arduous process. In recent decades, neuroscientists' interest has shifted from classical anatomy to physiological studies, Amunts says, so few labs still have the expertise or tools to make, scan, and digitize the hair-thin slices of brain tissue required to capture details at the cellular level. Thicker slices mean fewer details and bigger gaps of data between tissue slabs, Amunts says.

So in 2003, Amunts and colleagues began the BigBrain atlas. The researchers selected the brain of the 65-year-old female donor as the basis for the atlas because it had no obvious signs of degenerative disease or other damage. After preserving the brain in formalin, a chemical fixative, and embedding it in wax for several months, they began to cut it using a knife called a microtome, which carves linked sections onto a conveyer belt like a deli slicer cutting turkey breast. They had to be very careful that slices didn't fall off of the belt during this stage, Amunts says. "Someone opens a door, and whoosh!"

Next, the researchers mounted each slice on a microscope slide, stained it to make the cell bodies of neurons visible, and scanned it. Overall, it took about 1000 hours of nearly continuous labor to prepare and scan each brain slice and the researchers obtained more than 7400 slices in all, they report online today in Science. Even taking lunch breaks could disrupt the delicate task, Amunts says.

Although the researchers took the utmost care in handling the fragile slices, inevitable warps and tears occur when brain tissue is stained and cut, says co-author Alan Evans, a neuroimaging expert at McGill University in Montreal, Canada. "Think of over 7000 sections of Saran Wrap that have been ripped and distorted," he says. Evans's job was to reconstruct the brain into a coherent whole, correcting errors by manually shifting misaligned scans back into place and using corrective software. Processing the quantity of data involved in BigBrain required a high-performance computing grid distributed across Canada.

At 50 times the spatial resolution of previous models, BigBrain shows individual neurons and the connections between them, an unprecedented level of detail for a whole-brain model. "What this brain does is give us nearly all the neurons in a single space" Masdeu says. "It's a wonderful resource." The finished product, which is part of the European Human Brain Project, a €1 billion effort to make a computer model of human brain function over the next 10 years, will soon be available for free through a web portal called CBRAIN. With mere clicks of the mouse, Masdeu says, researchers will be able to combine data from living brains, such as brain activity scans, with detailed anatomical information at the cellular level.

The BigBrain approach isn't perfect. In addition to the errors introduced by slicing, BigBrain doesn't capture the considerable variability between individual brains, notes neuroscientist John Mazziotta of the University of California, Los Angeles, who wasn't involved in the research. One solution to that problem might be to combine BigBrain with data gleaned from vast numbers of lower-resolution brain scans that show where different brain structures are likely to be, he says.

A new method that makes brain tissue transparent, called CLARITY, holds promise for future brain-imaging studies because researchers would not need to cut the brain, but at present it can be applied to only small amounts of tissue, equivalent to a mouse brain, Mazziotta says.

Next, Amunts wants to create BigBrain atlases of a male brain and a younger person's brain to capture potential sex and developmental differences. Now that the first map is complete, Mazziotta predicts that the process will get easier and faster over time, allowing researchers to look at the brains of large groups of people with disorders such as autism on a molecular level. "Eventually we'll have populations of brains done this way," he says.

http://news.sciencemag.org/sciencenow/2013/06/bigbrain-atlas-unveiled.html

jueves, 20 de junio de 2013

El atlas más fino del cerebro

Un equipo internacional reconstruye la mente de una mujer en 3D en una resolución casi celular

El ‘BigBrain’ abre una vía para entender las bases neurobiológicas de la cognición, el lenguaje y las emociones, investigar enfermedades y desarrollar fármacos

JAVIER SAMPEDRO | 20 JUN 2013 - 17:36 CET

Procesamiento de las capas del cerebro. / AMUNTS, ZILLES, EVAN ET AL (SCIENCE)

El sueño de un neurocientífico es llegar a conocer el cerebro humano con la misma precisión que el sistema nervioso del gusano Caenorhabditis elegans, cuyas 100 neuronas exactas con todas sus conexiones sinápticas son desde hace años un libro abierto para la ciencia. Y hoy se acercan más que nunca a ese ideal con BigBrain, una reconstrucción digital del cerebro humano completo en 3D y ultra-alta resolución que deja muy atrás a cualquier iniciativa anterior de este estilo. BigBrain es la herramienta esencial que necesitan los laboratorios neurológicos de todo el mundo para elucidar la forma y la función de nuestro cerebro. Y estará disponible públicamente a coste cero.

Hasta ahora existen otros atlas del cerebro, pero solo llegan al nivel macroscópico, o visible. Su resolución solo llega al nivel de un milímetro cúbico, y en ese volumen de cerebro caben fácilmente unas 1.000 neuronas. El nuevo BigBrain baja el foco hasta un nivel “casi celular”, según los científicos que lo han creado. Eso quiere decir que llega a discriminar cada pequeño circuito de neuronas que está detrás de nuestra actividad mental, y que puede abarcar toda la información disponible sobre el cerebro, desde los genes y los receptores de neurotransmisores hasta la cognición y el comportamiento.

El cerebro de referencia se basa en el de una mujer fallecida a los 65 años, que ha sido fileteado en 7.400 secciones histológicas de solo 20 micras (el espesor de un cabello, y cerca de la dimensión de una célula). El BigBrain, según sus creadores, abre el camino para entender las bases neurobiológicas de la cognición, el lenguaje y las emociones, y también para investigar las enfermedades neurológicas y desarrollar fármacos contra ellas. El modelo se presenta en Science y estará disponible para usuarios registrados en http://bigbrain.cbrain.mcgill.ca.

El trabajo ha sido coordinado por Katrin Amunts, del Instituto de Neurociencia y Medicina de Jülich, en Alemania; y Alan Evans del Instituto Neurológico de la Universidad McGill en Montreal, Canadá. Ambos explicaron su investigación en una teleconferencia para la prensa junto al editor de Science, Peter Stern.

Tal vez la línea celular humana más utilizada por los laboratorios de todo el mundo durante el último medio siglo sea la línea HeLa; el cultivo proviene de un tumor de útero que le fue extirpado en 1951 a una paciente llamada Henrietta Lacks (de ahí el nombre de la línea) que, pese a haber muerto unos meses después de la operación, consiguió así una singular forma de inmortalidad.

No es extraño que los periodistas mostraran ayer un especial interés en la mujer de 65 años que ha visto inmortalizado su cerebro como un modelo digital que pervivirá durante siglos o milenios. Quién sabe si la neurociencia del futuro será capaz de reconstruir a partir de BigBrain los pensamientos y deseos más ocultos de esa mujer, los recovecos de sus emociones y las ambigüedades de su moralidad. Eso es desnudarse para la posteridad, ríanse ustedes de una autobiografía.

La insistencia de los medios, sin embargo, se topó con el compromiso insobornable de los científicos de preservar la intimidad de la mujer fallecida. Ni Amunts, ni Evans ni su colega Karl Zilles, ni por supuesto el editor de Science que había organizado la comparecencia, quisieron dar noticia sobre la vida que, de algún modo, han registrado para la posteridad. Amunts se limitó a decir que “carecía de un historial neurológico o psiquiátrico”, y que en ese sentido “es lo que llamaríamos un cerebro normal”. Este hecho, al menos, nos aparta del mito de Frankenstein por una vez.

“Los autores han ampliado los límites de la tecnología actual”, dijo Stern, que ve la investigación, en cierto modo, como la consecuencia natural del trabajo de los neuroanatomistas clásicos, con Cajal a la cabeza, que sentaron hace un siglo las bases de la descripción estructural del cerebro humano. La mayor parte de la gente, incluidos los estudiantes de medicina, tiende a ver la anatomía como un tostón fastidioso si bien ineludible para aprobar el curso.

Pero si la biología nos ha enseñado una lección es que la forma explica la función, que entender el funcionamiento de un sistema biológico empieza siempre por ver su estructura. Recuerden la genética: la mera, simple y desnuda forma de la doble hélice del ADN, donde las letras de una hilera se complementan con las de la otra, explica por sí sola que los seres vivos puedan sacar copias de sí mismos. También la forma de las proteínas, con sus hélices y sus hojas y sus caprichosos plegamientos, suele explicar lo que hace cada una de ellas, desde quemar el azúcar que comemos hasta activar las neuronas que nos hacen pensar.

Stern, como muchos otros científicos, está convencido de que esa ley no formulada de la biología tiene jurisdicción también sobre el cerebro, sobre los mecanismos de nuestra vida mental. Somos formas. “Este trabajo puede verse como una culminación de la anatomía”, dijo el editor de Science. “Sin un profundo conocimiento de la estructura del cerebro nunca entenderemos el resto de la neurobiología”.

Evans también proclamó: “La gran ciencia ha llegado al cerebro”. El eslogan es una referencia velada a los proyectos genoma y los aceleradores de partículas, que ya implican cifras de seis dígitos, programación a medio plazo y unos equipos científicos cuyas firmas rara vez caben en la página de la revista científica donde se publican. Pese a que hay cientos de laboratorios en el mundo investigando en neurobiología, el cerebro no contaba hasta ahora con una gran planificación de este tipo, como las que se usan para secuenciar el genoma humano o encontrar el bosón de Higgs. La gran ciencia ha llegado al cerebro.

Pese a la indudable profundidad de las cuestiones implicadas, los grandes logros del trabajo han sido de tipo técnico. “El proyecto ha sido un tour de force para ensamblar las imágenes de más de 7.400 secciones histológicas individuales”, explica Evans, “cada una con sus propias distorsiones, rasgaduras y desgarrones, en un todo coherente, un volumen en tres dimensiones. BigBrain permite por primera vez una exploración en 3D de la anatomía citoarquitectónica humana”. El prefijo cito significa célula, y en boca de Evans quiere enfatizar la gran resolución de su modelo, cercana al nivel celular: muy cerca del sueño del gusano Caenorhabditis elegans.

Los científicos tomaron el cerebro de la mujer muerta a los 65 años y lo encastraron en cera de parafina, un paso previo usual antes de una disección fina. Y esta fue finísima: las lonchas solo tenían 20 micras (milésimas de milímetro) de espesor. Ni siquiera un científico alemán tiene el pulso tan firme como para hacer eso, y los investigadores usaron una máquina especial para ese propósito, un microtomo gigantesco.

Las finísimas lonchas del cerebro de la mujer se montaron en portaobjetos y se trataron con sustancias que tiñen las estructuras celulares más importantes, muy a la Cajal o a la Golgi, si se mira bien. Lo que jamás podrían haber soñado esos grandes neurólogos del pasado es el prodigioso poder de computación, y la sofisticación de las matemáticas asociadas, al que tiene acceso la ciencia actual. Con todo, recolectar los datos llevó cerca de 1.000 horas, y los robots todavía no lo pueden hacer todo.

BigBrain, el gran mapa en 3D y resolución “casi celular” que ya forma parte del dominio público, es un gran paso hacia el entendimiento profundo del cerebro y la mente. Su objetivo no es otro que comprender los fundamentos neurobiológicos del aprendizaje y la adquisición de conocimiento, del lenguaje y las emociones, de la torpeza y de la creatividad humana. Es público y gratis, y de momento no sirve para espiar a nadie.


http://sociedad.elpais.com/sociedad/2013/06/20/actualidad/1371742600_459472.html