lunes, 11 de enero de 2016

"La huella del cerebro" Seleccionando a un individuo de entre la multitud



Los investigadores pueden identificar a cada persona por la forma en que su cerebro está cableado


Publicado el 14 de octubre del 2015 en Scientific American

Por Simon Makin

Traducido por: Ana Toral



Un patrón específico de las conexiones entre las diferentes áreas del cerebro proporciona una huella neuronal.
Crédito: Emily Finn



Todos nos sentimos únicos, creyendo que nuestra vida interior y nuestro ser físico, de alguna manera, difieren de las demás personas. Nuestras intuiciones se confirman con varios métodos existentes para la identificación de un individuo, ya sea a través de la inspección de los verticilos de una huella digital o mediante la secuenciación de una cadena de ADN.

Los científicos también buscan la fuente de esa sensación de ser especial. Pero la forma habitual de obtener imágenes del cerebro utilizada durante las pasadas décadas - la imagen de resonancia magnética funcional (fMRI) -ha sido incapaz de proporcionar la especificidad deseada para obtener la “huella neural” de un individuo. La mayoría de los estudios examinan las diferencias entre los cerebros de grupos enteros que difieren de alguna manera importante. Los investigadores comparan las lecturas promedio para ciertas áreas del cerebro en un grupo con diagnóstico de esquizofrenia, por ejemplo, con los promedios en un grupo de control sano.

La neurociencia francamente no ha tenido mucha elección. Las tecnologías de imágenes cerebrales son herramientas realmente bastante burdas; el fMRI es una técnica que mide los cambios en los niveles de oxígeno en la sangre que fluye en el interior del cerebro. Indica qué partes del cerebro trabajan más duro al observar las áreas que demandan más oxígeno para alimentar el metabolismo. Los cambios en los niveles de oxígeno ocurren lentamente en comparación con el ritmo trepidante de los impulsos eléctricos que zigzaguean a través de todo el cerebro. Y lo que es peor, las señales que el escáner recibe, están contaminadas con ruido debido a la respiración y los latidos del corazón del sujeto. Además de la contaminación con ruido, también pueden variar mucho de persona a persona los detalles físicos y anatómicos. Así que los estudios de imagen por lo general generan un promedio de los resultados de las imágenes escaneadas de muchas personas para descubrir información significativa acerca de cómo funcionan los cerebros.

Pero esto plantea una pregunta: ¿Qué tan variables son los cerebros realmente? ¿Lo suficientemente variables como para extraer información útil acerca de un individuo a partir de una única imagen escaneada? ¿Son suficientemente distintos para identificar a esa persona? ¿Son, de hecho, únicos? ¿Y esta variación, podría contener información útil sobre cómo y por qué nos diferenciamos en términos de rendimiento cognitivo, o de salud mental?

Un estudio publicado esta semana en la revista Nature Neuroscience se adelanta a responder algunas de estas preguntas. Los investigadores, dirigidos por Emily Finn y Xilin Shen de la Universidad de Yale usaron una forma especializada de fMRI llamada Imagen de Resonancia Magnética por conectividad funcional (fcMRI) que refleja cómo de similar es la actividad en diferentes partes del cerebro. Los investigadores utilizaron la fcMRI para identificar a una persona determinada con una precisión de hasta un 99 por ciento de un grupo de 126 adultos jóvenes sanos. Las exploraciones se obtuvieron como parte del Proyecto Conectoma Humano (HCP), una colaboración de Estados Unidos dirigido por la Universidad de Washington en Saint Louis y la Universidad de Minnesota que tiene como objetivo trazar el cableado del cerebro humano. (Scientific American es parte de Nature Publishing Group.)

La técnica consiste en obtener mediante fMRI la imagen de pequeños elementos llamados voxels cuya actividad está sincronizada en gran parte, agrupándolos en lo que se llaman nodos. Luego, los investigadores compararon con que intensidad esta sincronizada la actividad media en un nodo con la de otro, una medida de la fortaleza de la conexión entre las dos áreas.

En este estudio, los investigadores crearon una red de 268 nodos y evaluaron con que intensidad cada nodo estaba conectado a todos los otros nodos. El resultado final produjo un "perfil de conectividad" de 35.778 conexiones. Esto permitió a los investigadores identificar a cada individuo mediante la obtención de un patrón de conexiones neuronales escaneadas para un individuo en una sola sesión comparándolo con las exploraciones de todos los participantes en el estudio en una segunda sesión. Las exploraciones fueron tomadas cuando los participantes estaban en reposo o cuando  participaban en alguna de varias tareas. Cuando se comparaba un escáner en descanso de un individuo con una segunda ronda de exploraciones para todo el grupo, la técnica identificaba a la persona correcta  en un 93 a 94 por ciento del tiempo. Al comparar un escáner en descanso con un escáner ejecutando una tarea o con  ambos en  actividad, el rendimiento fue menor pero aún osciló entre el 54 al 87 por ciento, lo que sugiere que el patrón de conexiones en el cerebro de un individuo sigue siendo distintivo incluso mientras se dedica a diferentes actividades. "Lo que hemos demostrado es que el mismo cerebro haciendo dos cosas diferentes se ve más similar que dos cerebros diferentes haciendo lo mismo", dice Finn.

Los investigadores también realizaron otro nivel de análisis en el que se encontraron ciertos grupos de nodos que corresponden a las redes cerebrales bien establecidas dedicados a las tareas visuales, motoras u otras tareas. A continuación, se preguntaron si alguna de estas redes revelaba más sobre el carácter distintivo de un cerebro que otras. La más distintiva es la red frontoparietal, involucrada en el control de la atención y otras funciones cognitivas. Con ella, se identificaba al individuo en un 98 al 99 por ciento del tiempo durante el descanso y de un 80 a 90 por ciento para la mayoría de las otras comparaciones.

Por último, el equipo mostró que había una relación entre la inteligencia fluida de los participantes (Gf, una medida del razonamiento y la resolución de problemas en situaciones nuevas) y la conectividad cerebral. Este vínculo no era lo suficientemente fuerte como para predecir la “inteligencia fluida” de los  participantes a un nivel que pudiera ser utilizado por un psicólogo, pero eso no resultó sorprendente; la inteligencia fluida probablemente está  determinada por muchos factores diferentes.

La misma red frontoparietal que era la más útil en la identificación de las personas también fue la más fuertemente vinculada a la Inteligencia Funcional. Los nodos de esta red controlan la conmutación de las conexiones que hacen frente a las tareas cambiantes. "Esas son las regiones más recientemente evolucionadas y sofisticadas, que participan en las funciones de orden superior en las que estamos tan interesados, como la atención, la memoria y el lenguaje.", dice Finn. Este hallazgo apoya una serie de ideas acerca de lo que nos hace únicos. Estas áreas pueden estar más modificadas por la experiencia, mientras que las redes sensoriales y motoras están más predeterminadas. 
"Todos podemos ver la piedra que cae y salirnos del camino", dice el neurocientífico cognitivo Michael Gazzaniga, de la Universidad de California, Santa Barbara, que no era parte de este estudio. "Pero algunos de nosotros somos mejores para averiguar, en primer lugar, por qué la piedra cayó."

Los autores no sugieren el uso de estas técnicas para identificar a las personas. "No necesitamos poner a la gente en un escáner para saber quiénes son", dice Finn. "Podemos identificar a las personas con mirarlos u obtener sus huellas dactilares". El coautor Shen está de acuerdo: "Es sólo una prueba inicial para mostrar que hay suficiente información en estas exploraciones para mostrar la diferencia entre las personas." Esto tiene importantes implicaciones para el desarrollo clínico de aplicaciones útiles, sin embargo. "Empezar a centrarse en los individuos es una idea fantástica, que realmente va a ser el futuro", dice el experto en neuroimagen Cameron Craddock del Instituto Mental Infantil y el Instituto Nathan S. Kline para la Investigación Psiquiátrica, que no participó en la investigación. "Podría ser una huella digital de su estado de salud o de su  tratamiento mental", dice. "Ahí es donde estará la gran recompensa." Incluso podría ser útil para estimar quien podría responder mejor a los programas educativos.

Los investigadores no abogan por el uso de la técnica para estimar la inteligencia. Finn dice que no cree que las imágenes cerebrales sustituyan jamás plenamente un test de inteligencia o de otras medidas de comportamiento que son más fáciles, más baratas y más precisas. "Pero para cosas que no podemos saber con sólo mirar a la gente o con pasarles un test – tales como si podrían desarrollar la enfermedad de Alzheimer en un par de años o como responderían a una intervención-, esos son los tipos de cosas para las que podría ser útil." El equipo ya ha comenzado a trabajar con los datos de un grupo de adolescentes con alto riesgo de esquizofrenia para ver si pueden predecir quién terminará desarrollando la enfermedad en toda regla. "Esos tipos de predicciones son lo que me interesan para continuar con mi trabajo", dice Finn.



sábado, 2 de enero de 2016

La neurociencia de la inmortalidad








The neuroscience of immortality

Cinco conexiones, o sinapsis, son visibles en esta imagen de primer plano de dos neuronas, reconstruidas a partir de tejido cerebral de un ratón de laboratorio. (Crédito de la foto: Jeffrey Lichtman Lab)




Algunos neurocientíficos creen que puede ser posible, dentro de un siglo o así, que nuestras mentes sigan funcionando después de la muerte - en un ordenador o en algún otro tipo de simulación-. Otros dicen que es teóricamente imposible, o realmente pertenece a un futuro lejano. Una gran cantidad de piezas tienen que caer en su lugar antes de que podamos empezar a pensar en probar la idea. Pero los nuevos esfuerzos de alta tecnología para entender el cerebro también están generando métodos que hacen que esas piezas parezcan, si no exactamente inminentes, si por lo menos un poco más plausibles. He aquí un vistazo a lo cercano y lejano que estamos con algunos requisitos para esta versión de "transferencia mental".


Preservar el cerebro


La esperanza de “descargar” la mente se basa en la premisa de que gran parte de la información clave acerca de quién somos, se almacena en el único patrón de conexiones entre nuestras neuronas, las células que transportan señales eléctricas y químicas a través de los cerebros vivos. Imposible saberlo desde el exterior, pero hay más de esas conexiones - individualmente llamadas sinapsis, colectivamente conocidas como el conectoma - en un centímetro cúbico del cerebro humano, que estrellas hay en la Vía Láctea. El modelo básico es dictado por nuestros genes, pero todo lo que hacemos y experimentamos lo altera, creando un registro físico de todas las cosas que nos hacen ser NOSOTROS - nuestros hábitos, gustos, recuerdos, y así sucesivamente.

Es muy difícil trasladar ese patrón de conexiones, conocido como el conectoma, hacia un estado en el que no se degrade y pueda ser verificado como intacto. Pero en los últimos meses, dos grupos de científicos dijeron que habían ideado maneras distintas de hacerlo para el cerebro de los mamíferos más pequeños. Si bien habría que ampliarlo para trabajar con  cerebros humanos -aún un gran SI- teóricamente nuestro cerebro podría colocarse en un estante o en un congelador durante siglos mientras los científicos trabajaban en el resto de estos pasos.

Ambos comienzan por "fijar" la estructura de un cerebro en su lugar con una sustancia química similar a la utilizada en las funerarias para un embalsamamiento.

El primer método consiste en bañar el cerebro en osmio, un metal pesado que tiñe los contornos de todas las neuronas para que puedan ser vistos con un microscopio electrónico, y en un disolvente especial que permita la penetración de manera uniforme. El agua se drenaría desde el cerebro, y este se insertaría, a continuación, en una resina de plástico duro de modo que las conexiones del cerebro pudieran ser escaneadas más adelante.

El problema potencial es que toda la tinción y el drenaje oscurecería la identidad molecular de cada neurona y sinapsis - otra pieza crítica de información probablemente necesaria para una simulación del cerebro.

El segundo método consiste en el almacenamiento de un cerebro a temperaturas criogénicas (es decir, muy, muy, muy frío). Históricamente, el problema con esto ha sido que permite la formación de cristales de hielo que pueden cortar la membrana de las neuronas y romper las sinapsis. Un tipo de anticongelante o "crioprotector" puede ayudar a prevenir la formación de hielo, pero a su vez, puede conducir a la deshidratación, reduciendo el conectoma de modo que no se pueda ver con un microscopio electrónico, y potencialmente causando que este se rompa.

Los científicos parecen haber encontrado una forma de evitar esto - al menos en los cerebros de cerdo - mediante la fijación de la estructura en su sitio y ajustando el cóctel de sustancias químicas por bombeo a través del cerebro. Este método es mucho más probable que preserve las moléculas. Pero todavía necesitamos descubrir cómo teñir e incrustar el cerebro en plástico antes de pasar al siguiente paso.


Analizar las sinapsis


Por ahora, la única manera de ver todas las conexiones en el laberinto tridimensional del cableado oculto en el cerebro es hacer un zoom sobre el tejido cerebral con un microscopio electrónico y escanearlo en láminas muy finas, una tras otra, y luego unir en un ordenador los resultados del escaneo.

Para evitar la pérdida de cualquiera de las densas vías que pueden codificar una memoria de, por ejemplo, cómo olía el pastel de chocolate de tu abuela al sacarlo del horno, los investigadores deben cortar un solo milímetro cúbico de cerebro en unas 30.000 rebanadas - y un cerebro humano contiene no menos de un millón de esos milímetros cúbicos.

La llegada de nuevas herramientas ha automatizado este arduo proceso, que ahora es relativamente fiable y, aunque todavía muy lento, es más rápido que nunca. El más ambicioso de estos proyectos en marcha, una exploración de todo un conectoma de ratón, se espera que cueste alrededor de cinco años utilizando el microscopio de electrones más rápido (y más caro) del mundo. A ese ritmo, se necesitarían miles de años para escanear todo un cerebro humano. Pero un estudio reciente dice que podría ser posible repartir trozos de cerebro para muchos de estos microscopios que trabajaran en paralelo, sin comprometer la exactitud del mapa final.

Si eso funcionara (otro gran SI), y si se inventara un dispositivo muy delgado para rebanar (las cuchillas de diamante utilizadas para cerebros más pequeños probablemente no funcionarían para los cerebros de tamaño humano), y si alguien quisiera gastar unos 3.000 millones de dólares en microscopios de alta tecnología, tal vez se podría escanear un cerebro humano completo en 25 años.


Trazar las conexiones


Pero aún así no estaríamos ni remotamente cerca de una simulación del cerebro.

Para tener alguna esperanza de simular la actividad cerebral, la montaña de datos del escaner necesitaría ser transformada en modelos de cableado del cerebro. Eso significa la conexión de las partes de cientos o miles de imágenes de las diferentes capas que corresponden a una sola neurona (la gente que trabaja en esto lo llaman "rastreo") y la localización de cada lugar donde las diferentes neuronas forman una sinapsis (unas 10.000 en promedio).

Este resulta ser aún más difícil de lo que parece, porque los ordenadores de hoy en día, que pueden vencer a grandes maestros de ajedrez humanos, no pueden reconocer de forma fiable en las imágenes del microscopio de electrones, donde  termina una neurona y  comienza otra: necesitan la  tutoría y la supervisión humana. Como consecuencia, a los neurocientíficos de la Universidad de Harvard les costó miles de horas elaborar el pequeño fragmento de un cerebro de ratón exhibido en la portada de la revista científica Cell este verano.

Sin embargo, los avances en el aprendizaje automático han hecho que la coloración en mapas del  conectoma sea unas cincuenta veces más rápido en los últimos cinco años, según una medición publicada. Se espera que el ritmo aumente, gracias en parte a otras aplicaciones del llamado aprendizaje profundo, como el aprendizaje por los coches autoconducidos para reconocer a los peatones. Y después de haber aprendido a trazar circuitos cerebrales dedicados al reconocimiento de objetos, tales máquinas podrían en última instancia - y extrañamente - descubrir las pistas necesarias para mejorar su propio desempeño.


Interpretar el mapa


El verdadero desafío para los aspirantes a “descargar” la mente será encontrar la manera de crear un modelo en pleno funcionamiento de un cerebro humano a partir de una instantánea estática de su conectoma. Para que funcione, ese modelo tendría que incluir la información molecular en sus neuronas y sinapsis. Muchos neurocientíficos piensan que para extraer esa información sería necesario otro paso importante, otros dicen que los detalles estructurales visibles en el microscopio electrónico podrían permitir que se infirieran de ellos.

Pero hay otros retos, como la elaboración y la comprobación de teorías sobre cómo funciona todo.

Imagínese mirando el diagrama de cableado de una radio sin medios para encenderla, excepto que en lugar de una radio es la máquina más compleja jamás inventada. Se pueden ver los cables, pero no se sabe la función de los componentes que se conectan, y al contrario que con los circuitos eléctricos, hay una gran variedad de ellos de función todavía desconocida.

Ese es el punto dónde estamos ahora. En 1986, el gusano circular C. elegans, que tiene apenas 302 neuronas, fue el primer animal, y único hasta la fecha,  en tener su conectoma completo mapeado (los investigadores que hicieron esto ganaron un Premio Nobel). Sin embargo, el cerebro del gusano, cuyo comportamiento se reduce a oler la comida y avanzar hacia ella, nunca se ha simulado con éxito.

Los cerebros humanos tienen alrededor de 100.000 millones de neuronas, por lo que la enormidad de la tarea de un cerebro humano es difícil de sobreestimar.

Pero se está haciendo algún progreso - lo suficiente, de todos modos-, por lo que la administración Obama firmó el año pasado una aportación a los  Institutos Nacionales de Salud de  4.500 millones de dólares para ofrecer una "comprensión global, mecanicista de la función mental" para el año 2025. Las fundaciones privadas, como el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro y el Instituto Médico Howard Hughes, también han anunciado importantes inversiones en investigación básica del cerebro en los últimos años. Y este verano, el brazo de investigación de las agencias de inteligencia de Estados Unidos, IARPA, distribuyó alrededor de 50 millones de dólares en becas a cinco años para mapear el conectoma en un milímetro cúbico de cerebro de ratón ligado al comportamiento del aprendizaje, identificar las neuronas correspondientes en cerebros vivos de ratón y simular los circuitos en un ordenador.


Corrección de errores


No está claro lo que implicaría este paso, pero algunos neurocientíficos dicen que las conexiones rotas podrían ser reconstruidas de nuevo. Y la información molecular puede dar pistas para ayudar en la reconstrucción de las imperfecciones en el esquema de conexiones. Nadie sabe cuánta información faltante sería aceptable en la reconstrucción de lo que somos - pero entonces, ¿cuánto de lo que somos es necesario para ser realmente nosotros?


Escribir una simulación


En comparación con los otros pasos, los neurocientíficos parecen pensar que esta parte sería bastante fácil, tal vez porque no son informáticos. El Proyecto Cerebro Humano de la Unión Europea, de mil millones de euros de coste, que propone la simulación del cerebro a gran escala, sin embargo, ha sido criticado por ser adelantado a su tiempo. Es decir, está basando su trabajo en los supuestos en lo que se supone que se está simulando, en lugar de en los datos.

Pero las  simulaciones por ordenador de unos pocos cientos de neuronas aquí y allá son ampliamente utilizados en la neurociencia para poner a prueba las teorías contra la realidad. Actualmente no existe un ordenador lo suficientemente potente como para simular todo el cerebro humano, pero se supone que se van a introducir en pocos años los ordenadores escalables, que se cree que equipararan su velocidad computacional a la del cerebro humano. Con qué  rapidez un dispositivo de tamaño razonable podría alimentar una simulación del cerebro humano dependerá de la potencia de cálculo, cuya célebre tendencia a duplicarse cada 18 meses se ha puesto en duda últimamente.


Conectarse a un cuerpo robótico o virtual


En este punto de la conversación, algunos de ustedes podrían preguntarse si no son ya una simulación. Pero si la idea de la vida simulada les perturba, consideren que los robots se han vuelto bastante sofisticados en los últimos 10 años - que pueden correr, saltar, ver y oír, y algunos incluso tocar música heavy metal.

Si tu mente pudiera caber en un chip de ordenador en el futuro, - y ahora, de verdad,  estoy totalmente especulando – se podría almacenar en la nube del futuro y  utilizarse para controlar un cuerpo de robot, o unirse a uno. Por otro lado, algunos estudiantes de secundaria pasan todo su tiempo en Minecraft, a menudo jugando con gente a kilómetros de distancia, y Oculus Rift, la compañía de realidad virtual comprada un tiempo atrás por Facebook por 2.000 millones de dólares, tiene como  objetivo poner a decenas de millones de personas en mundos virtuales. Tal vez usted prefiera lo virtual a lo físico, o tal vez pueda alternar entre ambos mundos.


Probar si realmente es "usted"


Esta es, obviamente, la parte más importante, pero realmente no hay manera de saber si una copia fiel de su cerebro podría ser usted. Los debates filosóficos siguen librándose sobre si la mente “descargada” en realidad transferiría su conciencia o simplemente haría una copia suya, lo que podría ser bueno para sus amigos y familiares, pero uno seguiría estando muerto. No hay datos sobre los que basar una conclusión. Algunas personas piensan que es obvio que la “copia” sería usted, otros piensan que es obvio que no lo sería.

Los neurocientíficos parecen estar tan divididos sobre esto como la gente en general. ¿Qué pasa si tu copia actúa exactamente como tú, tiene todos tus recuerdos, y dice que es usted? ¿Cómo saberlo? ¿Qué pasaría si se hacen  50 copias de esa copia vuestra, y todos ellos dicen que son ustedes también?

Pero tal vez en este momento nos estamos adelantando demasiado.




Texto basado en : http://timesofindia.indiatimes.com/home/science/The-neuroscience-of-immortality/articleshow/49151182.cms