Conectoma (II): La retina

El conectoma es el mapa de las conexiones nerviosas. En el cerebro se realiza basándose en la técnica DTI que proporciona un mapa de gran escala en el que las neuronas y sinapsis no están representadas. Persiguiendo la representación de estas, se están usando avanzadas técnicas de microscopía. Y para empezar, un equipo de científicos en la organización Eyewire ha elegido un sistema más simple que el cerebro: la retina.

La retina

La estructura básica de la retina se conoce desde los tiempos de Santiago Ramón y Cajal. Consiste en varias capas de células: fotorreceptores, células horizontales, células amacrinas, células bipolares y células ganglionares.

Los fotorreceptores transforman la luz en impulsos nerviosos. Los hay de dos tipos: bastones y conos. Los bastones (100 millones en cada retina) responden con poca luz, están en la periferia del ojo, son responsables de la visión nocturna y proporcionan poca definición. Los conos (6 millones en cada retina) son responsables de la visión aguda y en color y se encuentran en el centro de la retina, sobre todo en la fóvea.

Las células horizontales, amacrinas y bipolares tienen una función no muy conocida. Son interneuronas moduladoras que median entre los fotorreceptores y las células ganglionares.

Las células ganglionares son la salida de la retina hacia el tálamo y el cerebro. Sus axones forman en nervio óptico.

La retina realiza un sofisticado procesamiento de las señales luminosas. Aunque accesible (está en el ojo y no en el interior del cerebro) y muy investigada, su funcionamiento está lejos de ser comprendido.

Tradicionalmente se entiende que las células ganglionares responden a un campo visual centro periferia. Si es centro-ON periferia-OFF, la célula ganglionar responderá cuando hay un contraste en su campo visual (compuesto por varios fotorreceptores) entre un centro iluminado y una periferia oscura. Si es centro-OFF periferia-ON, responderá al revés. Las nuevas investigaciones sugieren que esta teoría es muy simple y que hay hasta 20 tipos de células ganglionares.

El funcionamiento de las células ganglionares es muy importante ya que luego el área visual primaria del cerebro está organizada en base a columnas oculares que agrupan la entrada de las células ganglionares. Ya en el cerebro las áreas se van jerarquizando y las sucesivas neuronas responden a líneas de puntos, líneas de puntos con una determinada orientación, líneas de puntos orientadas y en movimiento, formas sencillas, formas complejas, objetos, caras…

Eyewire

La retina constituye un modelo ideal para establecer un mapa detallado de todas las neuronas y sus sinapsis, un conectoma.

La reconstrucción del conectoma del gusano C. Elegans duró una docena de años pese a solo tener 302 neuronas. Para ello se usó una técnica llamada Serial electron microscopy (EM). Consiste en una fina cuchilla de diamante que corta una capa del tejido a observar. A continuación, el microscopio realiza una toma y se vuelve a cortar el tejido. Superpuestas las imágenes, se obtiene un resultado tridimensional del tejido.

Una versión mejorada ha acelerado el proceso de adquisición de imágenes. Se trata de Serial block face scanning electron microscopy (SBEM). El instituto Max Planck en Alemania ha sido capaz de mejorar el proceso haciéndolo 50 veces más rápido. Para ello han desarrollado una herramienta llamada KNOSSOS que trabaja de forma semiautomática.

Usando esta técnica, se ha procedido a escanear un volumen retiniano de 350×300×60 μm3 que ocupa 1 terabyte de datos. Pero el problema fundamental no es la adquisición de imágenes, sino su análisis. Para ello, en el MIT se ha establecido el programa EYEWIRE de análisis de los datos recogidos. El objetivo es detectar, seguir e identificar completa e inequívocamente cada una de las neuronas de la imagen así como sus conexiones o sinapsis. El programa realiza automáticamente la detección de las neuronas. Pero se pierde. Para ayudar al programa, se necesita la colaboración de personas que ayuden al programa a seguir su análisis. El programa aprende y se espera que cada vez resuelva más imágenes conflictivas.

Para lograrlo, necesitamos algo más inteligente que el más poderoso superordenador: tú.

El objetivo es determinar con toda precisión cada una de las neuronas y sus sinapsis de la retina. Y después del cerebro. Pero ¿alguien más está haciendo esto? Si. En España.

El proyecto Cajal Blue Brain está en contacto con el Blue Brain Project para simular el cerebro humano. En España está liderado por la Universidad Politécnica de Madrid y el Instituto Cajal. Usando poderosas técnicas de microscopía FIB/SEM han desarrollado el programa ESPINA, “una herramienta para la segmentación automática y recuento de sinapsis en grandes conjuntos de imágenes de microscopía electrónica”

Llevará muchos años y un esfuerzo ingente el conocimiento detallado de las conexiones cerebrales, el conectoma. Estamos en ello.