El cerebro humano es la estructura biológica más compleja en la Tierra. Tiene cerca de 100 mil millones de neuronas, cada una de las cuales tiene miles de conexiones con otras neuronas.
Por otra parte, los cerebros cambian con el tiempo por una variedad de razones. Por ejemplo, a medida que envejecemos, nuestro cerebro pierde células nerviosas (neuronas). Además, el cableado de nuestro cerebro se altera continuamente a medida que aprendemos, socializamos, experimentamos estrés y encontramos diversas condiciones ambientales. Así es: Nuestros cerebros están anatómicamente y fisiológicamente cambiados por experiencias intelectuales y físicas normales.
Así que cada uno de nosotros tiene un único cerebro. De hecho, incluso los cerebros de los gemelos idénticos difieren el uno del otro. Lo que es más, las lesiones cerebrales pueden provocar diversos tipos de cambios en la anatomía y la fisiología del cerebro para compensar la función perdida y/o maximizar las funciones restantes. En efecto, nuestra comprensión del cerebro sigue siendo francamente rudimentario en comparación con el conocimiento de otros órganos.
Buscando una teoría
A pesar de los grandes avances tecnológicos en la investigación del cerebro durante las últimas décadas, los científicos todavía tienen que describir todos los diversos tipos de células que componen el cerebro y determinar sus funciones. Para complicar más las cosas, el cerebro es más que la suma de sus partes. Es decir, los diversos componentes del cerebro no funcionan de manera aislada unos de otros, sino que deben comunicarse entre sí y trabajar juntos para procesar la información y producir memorias, pensamientos y comportamientos.
Sin embargo, los científicos aún no entienden cómo se procesa la información en cualquier organismo, ya sea un humilde gusano cuyo sistema nervioso está formado por sólo unos cientos de neuronas o una vertebrados complejos. Nosotros simplemente no sabemos lo que sucede en el cerebro cuando un organismo cree, las maniobras a través del mundo, toma la información sensorial o duerme.
En otras palabras, los científicos carecen de una teoría general básica sobre la función cerebral sano que explicar cómo memorias, pensamientos y comportamientos emergen de actividades dinámicas en el cerebro-cualquier cerebro.
Este vacío teórico ha persistido a pesar de que las actividades moleculares, celulares y neuronales en el cerebro de muchas especies se han estudiado bien, al igual que el comportamiento en muchas especies, incluyendo los seres humanos. Sin embargo, las relaciones entre estos dos tipos de fenómenos y la secuencia de eventos que traduce uno a otro siguen siendo un misterio.
Al proporcionar un marco para predecir cómo los eventos micro en los comportamientos cerebrales producen, y viceversa, una teoría de la función saludable del cerebro podrían contribuir tanto a la neurociencia como la teoría de la evolución contribuye al árbol de la vida, la teoría de la tectónica de placas contribuye la geología y la teoría de la relatividad contribuye a la cosmología.
Pero todavía no puede explicar cómo funciona un cerebro normal, los científicos todavía no pueden explicar cómo las lesiones traumáticas y enfermedades cerebrales, como el Alzheimer, la esquizofrenia, el autismo y la epilepsia alteran la función. Tampoco pueden determinar cómo se deben tratar las lesiones y enfermedades cerebrales. En comparación, imagine un mecánico tratando de arreglar el motor de un coche sin una lista de piezas y / o la comprensión de cómo funciona!
Es incluso difícil para los científicos siquiera están de acuerdo en que se deben estudiar las variables neurológicas. Este desacuerdo, sin embargo, probablemente se reducirá en una teoría viable de la función cerebral saludable porque probablemente revelar áreas especialmente prometedoras de la investigación futura. Podría hacerlo, por ejemplo, ayudando a los científicos a identificar importantes nodos neuronales que merecen más atención que hacen los matorrales de las neuronas rango y archivo.
La nueva iniciativa BRAIN
En respuesta a la necesidad de una comprensión global del cerebro, el presidente Obama puso en marcha la investigación del cerebro mediante la mejora de neurotecnologías Innovadoras (BRAIN) Iniciativa del 2 de abril de 2013. Liderado por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF), los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), el cerebro es un nuevo esfuerzo de investigación negrita.
Extendiéndose más allá de la mera cartografía del cerebro, la iniciativa BRAIN está dirigido a la producción de una serie de herramientas que se necesitan para establecer una teoría integrada de cómo funciona el cerebro saludables sobre la vida de un organismo. Esta teoría va a proporcionar un marco fundamental para la interpretación de la nueva información sobre la ciencia del cerebro y va a cambiar los paradigmas existentes para explicar “lo que somos.”
“Cuando los científicos finalmente descubren cómo el cerebro trabaja a tiempo que sea necesario, este logro, probablemente se considera el mayor logro científico de toda la historia humana”, dijo John Wingfield, Director Adjunto de la NSF de Ciencias Biológicas.
El papel de la NSF en el cerebro
Procesos cerebrales son fenómenos multidisciplinarios, incorporando los principios de la biología, la química, la física, la ingeniería y las matemáticas. Por lo tanto, los esfuerzos para comprender estos procesos bajo BRAIN requieren enfoques multidisciplinarios. “El tipo de desafíos que enfrentamos en el estudio de la neurociencia requieren contribuciones de una amplia gama de disciplinas científicas y de ingeniería”, dijo Denise Caldwell, director de la división del NSF de Física.
Se necesita investigación básica: Ejemplos de los tipos de avances multidisciplinarios que se necesitan para avanzar cerebrales incluyen:
– Los estudios básicos realizados por los biólogos, en colaboración con físicos, químicos, matemáticos e ingenieros, en el buen funcionamiento de los sistemas nerviosos de muchos tipos de especies, de los que tienen sistemas nerviosos simples a complejas vertebrados, no sólo en los seres humanos y organismos que tradicionalmente han servido como organismos modelo en estudios del cerebro. Estos estudios se basan en un enfoque comparativo especie.
– Los modelos teóricos y computacionales creados por físicos, matemáticos e informáticos que ayuden a revelar y predecir las actividades neuronales complejas en el cerebro sano que los pensamientos de unidad y comportamiento.
– Los nuevos materiales desarrollados por los científicos y los ingenieros de materiales que son necesarios para crear sistemas innovadores de sondas cerebrales que pueden ser utilizados para controlar y manipular el cerebro.
Instrumentos ópticos y eléctricos desarrollados por físicos e ingenieros para mejorar la imagen del cerebro y la actividad cerebral.
Contribuciones clave de la NSF: NSF es una posición única para promover estos y otros tipos de innovaciones necesarias porque la agencia apoya la investigación básica en todas las disciplinas científicas y de ingeniería. Lo que es más, la NSF ha contribuido a sentar las bases para el cerebro mediante el apoyo a muchas de cambio de juego innovaciones en la investigación del cerebro, incluyendo el desarrollo de las siguientes acciones:
Optogenética: Una técnica bioengeering que permite a los científicos convertir selectivamente dentro y fuera de las neuronas particulares y circuitos neuronales en los organismos vivos de manera que los cambios de comportamiento resultantes se pueden observar en tiempo real. Optogenética se está utilizando actualmente para ayudar a identificar las funciones de las neuronas y los circuitos neuronales y para ayudar a identificar los objetivos adecuados para los medicamentos o tecnologías que tratan la disfunción cerebral. (Véase un artículo NSF sobre las contribuciones de la optogenética para la investigación sobre la enfermedad de Parkinson y un artículo NSF por sus contribuciones a la investigación sobre la ansiedad.)
Un requisito fundamental para el desarrollo de la optogenética fue un descubrimiento que fue producido por la investigación sobre un tema aparentemente sin relación: las algas. En concreto, esta investigación identificó la presencia y la estructura molecular de las proteínas sensibles a la luz en las algas. Se activa por la luz, estas proteínas ayudan a encontrar algas la luz que se necesita por las algas para producir energía mediante la fotosíntesis.
Después se descubrieron las proteínas de algas sensibles a la luz, los investigadores del cerebro encontraron que podían impartir las neuronas cerebrales y circuitos neuronales de diferentes especies con sensibilidad a la luz mediante la inserción en ellas las proteínas de algas sensibles a la luz. Una vez hecho sensible a la luz, las neuronas y los circuitos podrían activarse con sólo una luz sobre ellos, y apagados por otros tipos de simples manipulaciones de luz.
Por lo tanto se han desarrollado los conceptos básicos de la optogenética. Esta aplicación fundamental de la investigación de algas a la neurociencia pone de relieve la importancia de BRAIN, incluyendo la investigación básica básica en disciplinas aparentemente alejadas.
CLARIDAD: Una nueva tecnología de imágenes cerebrales, anunciada el 10 de abril de 2013, que se puede utilizar para generar imágenes detalladas, tridimensionales de los cerebros intactos que destacan las redes neuronales específicas. Estas imágenes pueden ser producidos sin cortar el cerebro y la interrupción de su bioquímica, como se requiere previamente.
Las aplicaciones potenciales de la investigación del cerebro NSF
Mediante el apoyo a la investigación multidisciplinaria adicional bajo BRAIN, NSF le ayudará a producir una profunda base de la información fundamental de la función cerebral saludable. Esta fundación ayudará a revelar “cómo el coche se ha diseñado, en lugar de lo que podría ser arreglado.” Puede que con ello abrir completamente nuevas vías para la investigación de los NIH sobre las enfermedades cerebrales y de investigación de DARPA sobre lesiones cerebrales traumáticas.
Esta fundación también puede ofrecer aplicaciones a los problemas importantes que no están relacionados con la salud. Por ejemplo, esta investigación puede ayudar a explicar las diferencias en los estilos individuales de aprendizaje, revelan los orígenes de las costumbres culturales, y proporciona una visión de lo que hace la gente “tick” como individuos. También puede inspirar el desarrollo de las nuevas tecnologías “inteligentes” que imitan las capacidades de procesamiento de información del cerebro humano.
La investigación del cerebro NSF-financiado también puede ayudar a mejorar la gestión de los recursos. Por ejemplo, esta investigación podría ayudar a los científicos a identificar las condiciones ambientales que favorecen el desarrollo de los sistemas nervioso y los sistemas metabólicos de los animales, como peces y ganado. Conocimientos resultantes pueden ayudar a los administradores de recursos de diseño acuicultura y las instalaciones ganaderas para maximizar el crecimiento y la productividad de sus animales.
Los estudios del cerebro también pueden ayudar a los científicos a comprender por qué muchas especies de vertebrados en peligro de extinción no se reproducen bien en cautiverio-y explicar por qué algunas especies se adaptan fácilmente a los cambios climáticos, mientras que otras especies estrechamente relacionadas no pueden hacerlo.
“Creemos que estos [y otros] fenómenos están relacionados con la forma en que un organismo percibe su entorno, lo que, a su vez, se relaciona con su función cerebral”, dijo Wingfield. “Por lo tanto, los avances en nuestra comprensión básica del cerebro pueden tener implicaciones importantes para la conservación y, por extensión, nuestra calidad de vida.”
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