El universo cerebral: Proyecto BRAIN y proyecto HUMAN BRAIN

El presidente de Estados Unidos, Barack Obama, presentando el proyecto BRAIN desde la Casa Blanca. (Fuente: http://www.extremetech.com)

El pasado martes 2 de abril de 2013, el presidente de Estados Unidos Barack Obama anunció la puesta en marcha de un megaproyecto científico denominado con el acrónimo BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnolgies). El proyecto, que por su naturaleza y envergadura algunos han comparado con el proyecto Genoma (mediante el cual se ha secuenciado el ADN de la especie humana), tiene como objetivo elaborar un  mapa detallado y dinámico de todo el cerebro humano que sirva para conocer cómo es, cómo funciona cada detalle de nuestro cerebro y, con ello, poder encontrar mejores soluciones para tratar enfermedades y lesiones del sistema nervioso.
El proyecto BRAIN pretende elaborar un modelo computerizado del cerebro humano que permita simular su funcionamiento en condiciones y en situaciones extraordinarias.

BRAIN contará con una inversión inicial de 100 millones de dólares y en él participarán importantes instituciones del país. El proyecto fue presentado como el gran nuevo reto americano, muy al estilo de otros grandes proyectos científicos de Estados Unidos, como lo fue la conquista de la Luna para John F. Kennedy durante la década de los 60 del siglo pasado… y, de hecho, el escenario guarda alguna que otra muy ligera similitud: Estados Unidos quiere liderar la investigación mundial sobre el cerebro aunque sabe que Europa le lleva una ligera ventaja, al menos en lo que a iniciativas similares se refiere. Evidentemente, Europa no es el adversario político que fue la URSS, pero ser el primero siempre es ser el primero… y Estados Unidos no quiere perder esta oportunidad. En realidad la iniciativa BRAIN no es un proyecto que surja de la nada sino que reune experiencias ya desarrolladas desde hace años por diversos centros de investigación. La idea original ha sido liderada pr el científico español Rafael Yuste, que lleva un cuarto de siglo investigando en redes neuronales.

Lo cierto es que en 2002 la Escuela Politécnica Federal de Lausane, en Suiza, uno de los centros más prestigiosos de Europa en Ciencia y Tecnología, dio comienzo al proyecto Blue Brain, cuyo objetivo era elaborar modelos computerizados extremadamente detallados del cerebro de algunos mamíferos para simular su funcionamiento y así poder comprender mejor su funcionamiento. En 2005 se materializó un acuerdo con IBM que le proporcionaba las impresionantes infraestructuras de cálculo informático necesarias para poder elaborar los modelos y hacer que funcionasen. Lo interesante del proyecto es que presentaba una planificación modular escalable, es decir, inicialmente se plantearon objetivos menores que, a continuación, podían ir siendo conectados o integrados en modelos de mayor complejidad.

Simulación de columnas corticales de una corteza cerebral de un cerebro de mamífero. (Fuente: http://www.experientiadocet.com)

Así por ejemplo, en el proyecto Blue Brain, el primer objetivo consistía en elaborar un modelo informático del funcionamiento de una columna cortical del cerebro de rata. La corteza cerebral es una estructura característica de del cerebro de mamíferos que en el ser humano es responsable de todas las funciones complejas del pensamiento (además del procesamiento  de información procedente de los órganos de los sentidos y la elaboración de complejos patrones de respuesta motora). La corteza cerebral presenta una compleja organización de sus neuronas en varias capas. La morfología, la distribución de las dendritas y las conexiones de las neuronas en cada capa y entre capas presenta una organización característica que se repite a lo largo de la la extensión de la corteza cerebral, de forma que se considera que la organización de una pequeña sección de esa corteza sirve como patrón o unidad funcional representativa de toda o gran parte de la corteza, esto es, la corteza cerebral es un complejo conjunto de columnas cerebrales interconectadas. Se calcula que en un cerebro humano pueden existir unos dos millones de columnas corticales. Puedes ver un modelo “simple” en la imagen superior.

Puede resultar un poco decepcionante dedicarse a realizar un modelo de un cerebro de una simple rata, pero puedes imaginarte que se trata de una cuestión de estrategia: Una columna cortical de cerebro humano (que tiene menos de medio milímetro de ancho) puede contener unas 50.000-70.000 neuronas. Por el contrario, una columna cortical de rata posee unas 6 veces menos neuronas que la de humano, así que para empezar parece un objetivo más alcanzable. Aún así, elaborar un modelo de ordenador que simule con exquisita fidelidad el comportamiento de 10.000 neuronas, cada una de las cuales puede realizar unas 10.000 conexiones (esto representa en total unos 100 millones de conexiones) es una tarea realmente laboriosa. Con todo, el primer modelo de ordenador estuvo terminado en 2007 y a partir de esta fecha comenzaron las pruebas para estudiar si se ajustaba realmente al funcionamiento real observado.

Los siguientes objetivos marcados fueron extender el modelo adaptándolo a cerebros cada vez más complejos (gato, simio, ser humano) y, al mismo tiempo, elaborar modelos simplificados del modelo de columna cortical original para poder conectar en paralelo diversas unidades y simular el funcionamiento de regiones cada vez mayores del cerebro.

En 2009, el Instituo Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España también se incorporó al proyecto, aportando su vasta experiencia y reconocido prestigio en el campo de la Neurociencia. El subproyecto se denominó Cajal Blue Brain. Pronto el proyecto captó la atención de las autoridades europeas que se dieron cuenta de la envergadura y del potencial de este proyecto y se comenzó a diseñar un proyecto más participativo que aúne esfuerzos de muchos más países europeos.

De esta forma, a partir del proyecto Blue Brain ha surgido el Human Brain Project HBP que ha estado diseñándose durante los últimos años y que pretende desarollarse en la década 2013-2023. El proyecto pretende reunir la inmensa cantidad de información que se está generando sobre el funcionamiento del cerebro y que incluye datos de tipo histológico, anatómico, químico, electrofisiológico gracias a modernas técnicas, e integrar toda esa información en un modelo por ordenador del cerebro humano, aprovechando el intenso desarrollo que han experimentado la tecnologías de procesamiento de la información en las dos últimas décadas. Aunque el proyecto es marcadamente europeo participan también instituciones de todo el mundo.

Cómo ves, se trata de un proyecto muy similar al BRAIN Project que Obama anunció recientemente con objetivos aparentemente parecidos. De hecho, ambas iniciativas (la europea y la norteamericana) son ampliaciones o extensiones de otras previas y el anuncio oficial  se ha producido con apenas un mes de diferencia. Independientemente de la lectura política que se quiera hacer de esta coincidencia, se hace evidente la relevancia que la investigación sobre el cerebro va a tener en los próximos años o décadas. La tarea es realmente un reto impresionante que sólo es posible desde hace pocos años gracias al desarrollo de las tecnologías de la computación. Ya que los beneficios pueden ser para toda la especie, lo deseable es que se aunen de forma global todos los esfuerzos

Se trata de proyectos que integran Ciencia y Tectonología a partes iguales y que adoptan una estrategia “de moda” que se denomina ingeniería inversa, ya que se actúa en sentido contrario a como suele funcionar la producción técnica: Generalmente se parte de datos téoricos y cálculos parciales para elaborar un producto acabado que cumple determinada función. En la ingeniería inversa se parte del producto ya elaborado (que en este caso sería el cerebro) y a partir de él se intenta deducir cuáles son las bases de funcionamiento y su naturaleza. El término de ingeniería inversa suena a algo muy sofisticado pero en realidad es una estrategia bastante común incluso en la vida cotidiana: ¿Nunca has probado a desarmar algún aparato y has intentado deducir cómo funciona?

Este tipo de proyectos no están exentos de controversia, en parte debido a la gran cantidad de recursos que absorbe (y que algunos critican que deberían dedicarse a otros fines) y en parte debido a las posibles implicaciones éticas que pueden derivarse (¿Es este el  primer paso hacia una verdadera inteligencia artificial?¿Cuáles serían sus aplicaciones?). En cualquier caso, los beneficios que pueden obtenerse de proyectos de esta magnitud convencen a casi todos para seguir adelante.

6 thoughts on “El universo cerebral: Proyecto BRAIN y proyecto HUMAN BRAIN

  1. Yo destinaría el proyecto para conectar saber como conectar neuronas correctamente para ayudar a las personas con lesiones de médula espinal y traumatismos.

    • Hola, Santi!
      Sin duda, este es uno de los grandes retos. La principal dificultad estriba en que las neuronas, en general, se regeneran mal cuando hay una lesión. Los estudios actuales tiene esperanzas que la utilización de células madre pueda ayudar a resolver el problema, pero conocer con detallle la conectividad en la médula espinal, sin duda, ayudaria a ralizar un seguimiento más detalllado de la recuperación o a simular determinadas intervenciones en un modelo de ordenador antes de realizarlas en la realidad. ¡Buena idea!

    • Hola, Daniel!
      Gracias por participar. En realidad la columna vertebral es un conjunto de huesos que no forma parte del sistema nervioso, aunque sí protege a la médula espinal que discurre por su interior. El objetivo del proyecto BRAIN está explicado en los dos primeros párrafos cuando habla de lo que pretende. Si logra su objetivo ¿Para qué lo destinarías tú prioritariamente?

  2. Sin duda este es uno de los grandes retos que se ha planteado la ciencia. Esperemos que con el tiempo, puedan realizarlo sin ningún inconveniente, y que consigan el modelo de cerebro, pues podría ayudar a muchas personas que sufren todo tipo de enfermedades relacionadas con este.
    Y aquí va mi pregunta: Si, como mencionó antes, consiguen realizar el proyecto, ¿podrán sustituirse partes fallidas como la de la vista, y así poder hacer que los ciegos vean?
    Es un ejemplo, claro, de lo que creo que podría servir este proyecto. Y si dijo vista, me refiero a todos los sentidos y demás cosas complejas que son de utilidad para todo ser humano.

    • Hola Isa!
      Estoy de acuerdo contigo en que es uno de los principales retos que actualmente tiene la ciencia y tu sugerencia es muy interesante. Desde hace algunos años, conforme se han ido mejorando las técnicas para trabajar con células madre, existe el deseo de construir órganos fuera del cuerpo para luego poder implantarlos o bien implantar conjuntos de células madre en zonas dañadas para que se multipliquen y regeneren la estructuras estropeadas.
      Lo que panteas es un objetivo diferente, interesante e inquietante al mismo tiempo. Conocer con detalle la estructura y funcionamiento de nuestro cerebro hasta el extremo que pretenden esta tipo de proyectos, abriría una primera puerta no sólo a construir réplicas funcionales de partes del mismo, como tú dices, sino a diseñar quizá nuevos elementos capaces de modificar las cualidades del pensamiento humano. Todo esto, claro está en un futuro muy lejano.
      Buen comentario, enhorabuena

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