El neocórtex o neocorteza es la estructura más “humana” del sistema nervioso, ya que es la región de la corteza cerebral relacionada con las capacidades que diferencian al ser humano de otros mamíferos, como por ejemplo, el lenguaje, la imaginación o la capacidad de abstracción. Un equipo internacional de investigadores, miembros de los proyectos europeos Blue Brain (Cajal Blue Brain en España) y Human Brain Project, han completado la primera reconstrucción informática detallada de un fragmento de esta región de la corteza cerebral.

El trabajo, publicado en la revista Cell, representa la culminación de 20 años de experimentación biológica, durante los cuales se ha generado el conjunto de datos primordial, y 10 años de trabajo de ciencia computacional, en los que se desarrollaron los algoritmos y la construcción del ecosistema de software necesario para reconstruir y simular el tejido de forma digital. A pesar de que es la herramienta informática conseguida queda lejos de ser suficiente para reconstruir un mapa completo de los microcircuitos de todo el cerebro, es un primer paso fundamental para empezar a predecir muchos de los datos restantes necesarios para la simulación total.

Según Javier DeFelipe, investigador de CIBERNED, destacado autor del Instituto Cajal (CSIC) y del Centro de Tecnología Biomédica de la Universidad Politécnica de Madrid y director de Cajal Blue Brain, la investigación desarrollada “demuestra que la reproducción digital del cerebro humano y la simulación detallada de su funcionamiento es posible— aunque sea a largo plazo—, y que hemos dado un primer impulso gigantesco para llegar a alcanzarla”.  Así, según el investigador, estos  proyectos están consiguiendo “profundizar y avanzar de forma notable en el trabajo iniciado por Santiago Ramón y Cajal hace más de 100 años”, pionero en la descripción de la micro anatomía del sistema nervioso y del flujo de información en los circuitos del cerebro.

Los investigadores participantes en este estudio llevaron a cabo decenas de miles de experimentos con las neuronas y las sinapsis (conexión entre neuronas) en el neocórtex de ratas jóvenes y catalogaron cada tipo de neurona y cada tipo de sinapsis que encontraron. Así, identificaron una serie de patrones fundamentales que describen cómo se organizan las neuronas en el microcircuito y cómo están conectadas vía sinapsis y desarrollaron un algoritmo capaz de predecir las localizaciones de los casi 40 millones de sinapsis en los microcircuitos.

Este algoritmo, según explicó Michael Reimann, uno de sus autores, “comienza colocando modelos 3D realistas de neuronas en un volumen virtual, respetando la distribución medida de diferentes tipos de neuronas a diferentes profundidades, y detecta las más de 600 millones de localizaciones donde se tocan las ramas de las neuronas”. Posteriormente, elimina sistemáticamente todos los contactos que no encajan con cinco reglas biológicas de conectividad, “lo que nos deja con 37 millones de contactos, que son las localizaciones donde construimos nuestras sinapsis del modelo”, añadió.

La infraestructura de supercomputación y el amplio ecosistema de software desarrollado en el marco de este proyecto es imprescindible para avances como el presente en el campo de la neurociencia ya que, según explica Felix Schürmann, líder del departamento de desarrollo de supercomputación, “únicamente con este tipo de infraestructura es posible resolver los miles de millones de ecuaciones necesarias para simular cada intervalo de 25 microsegundos de los que se compone la simulación”.

Las simulaciones realizadas han permitido además desarrollar nuevas teorías que no habían sido posibles en base a la experimentación biológica, como la constatación de que existen múltiples mecanismos celulares y sinápticos que pueden conmutar el circuito de un estado de actividad a otro (sincrónico y asincrónico), lo que podría dar lugar a nuevas formas de estudiar el procesamiento de información y los mecanismos de la memoria en los estados cerebrales normales, como la vigilia, la somnolencia y el sueño, y algunos de los mecanismos en los estados anormales, tales como la epilepsia, y potencialmente, otros trastornos cerebrales.