Dilucidar los misterios del cerebro con luz e inteligencia artificial
Descifrar cómo colaboran las neuronas individuales para generar pensamientos, emociones y acciones sigue desconcertando a los investigadores. Para investigar la actividad cerebral, la neurociencia estudia las neuronas, tanto de forma individual como colectiva, con diversas metodologías que incluyen la medición de la actividad eléctrica, el estudio de las reacciones químicas y el control de las células con luz.
Una innovadora plataforma experimental para estudiar el comportamiento neuronal
El objetivo del proyecto ISLAND, que se llevó a cabo con el apoyo de las acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA, por sus siglas en inglés), era crear un sistema experimental que aprovechara el poder del control de la luz junto con la manipulación genética, o la optogenética, a fin de estudiar las células cerebrales en un entorno de laboratorio. «Queríamos comprender las redes neuronales de forma bidimensional y tridimensional, lo cual prometía nuevos conocimientos sobre la función cerebral», afirma el investigador principal, Lorenzo Pavesi. Junto con Ilya Auslender, beneficiario de una beca de investigación individual MSCA, los científicos desarrollaron un sistema experimental con tres unidades distintas. La unidad de «escritura» consistía en un sistema óptico que emitía patrones precisos de luz que servían de disparadores para la estimulación de neuronas modificadas genéticamente. La unidad «lectora» a través de una matriz de microelectrodos (MEA, por sus siglas en inglés) fue capaz de captar las señales eléctricas que emanaban de las neuronas cultivadas y traducirlas en datos. Por último, la unidad de «procesamiento y control» interpretó los registros de la MEA.
Cartografía de las redes neuronales
Los científicos lograron cultivar células corticales cerebrales en chips de vidrio de una MEA y las genomodificaron para que expresaran una proteína fotosensible. Ello sentó las bases para efectuar los experimentos optogenéticos controlados. La estimulación lumínica se consiguió mediante un procesador de luz digital que iluminaba patrones de luz a medida sobre las neuronas modificadas genéticamente. El desarrollo de herramientas analíticas avanzadas fue fundamental para comprender estas respuestas. Los investigadores emplearon inteligencia artificial (IA), para crear un sistema capaz de leer las señales eléctricas de las células neuronales y generar un mapa macroscópico de cómo estas células se comunican y conectan en red. El modelo resultante proporcionó un gráfico macroscópico que representaba la estructura del cultivo estudiado. Cada nodo de dicho gráfico simbolizaba un circuito neuronal o población de neuronas, y las conexiones entre nodos representaban las interacciones ponderadas entre estas poblaciones. En general, el modelo de IA demostró una notable precisión a la hora de descubrir la conectividad funcional de la red neuronal.
Posibilidades y aplicaciones futuras
Gracias al proyecto ISLAND se abrieron múltiples oportunidades para ampliar las aplicaciones «in vitro» y las iniciativas de investigación. La configuración optogenética cuidadosamente diseñada, que combina a la perfección métodos ópticos y genéticos, ya se ha empleado para avanzar en estudios en curso centrados en el uso de intervenciones innovadoras basadas en la luz para suprimir las crisis epilépticas. El modelo de IA puede aplicarse a una amplia variedad de estudios que implican el análisis detallado de señales electrofisiológicas multisitio. Por ejemplo, se podría mejorar la investigación farmacológica al ofrecer información sobre cómo responde el sistema nervioso a distintas sustancias. Además, se puede emplear en la cartografía cerebral, donde su análisis detallado puede ayudar a descubrir la intrincada dinámica de las redes neuronales, revelando más sobre cómo funciona el cerebro y cómo se conectan sus componentes. «Nuestros resultados no solo apoyan la investigación creativa en entornos de laboratorio controlados, sino que podrían favorecer el progreso en diversos campos complejos donde es crucial una comprensión detallada de la dinámica y las conexiones neuronales», destaca Auslender.
Palabras clave
ISLAND, cerebro, neuronas, optogenética, IA, matriz de microelectrodos, modelo, crisis epilépticas
