De acuerdo con Crick y Koch (
2005) si uno busca entender la función en biología, empezar por estudiar la estructura, es una buena idea.
El conectoma humana es el proyecto de estudiar la totalidad de las conexiones estructurales del cerebro humano con el fin de entender la función de las distintas partes conectadas.
Tener una idea de como y por qué se conectan ciertas áreas con otras áreas puede ofrecer pistas a la hora de tratar enfermedades neurodegenerativas y del neurodesarrollo así como el funcionamiento integral del cerebro.
Porque saber cómo las neuronas se comunican entre si formando vastas redes de interconexión permite saber la forma en la que el cerebro produce el movimiento y comportamiento, codifica regularidades estadísticas presentes en el entorno sensorial, almacena memorias y predice el futuro., en definitiva, cómo el cerebro da lugar a la mente.
Detrás de la idea de que la conexión entre neuronas es responsable de las funciones del cerebro está la razón para la conectómica, la nueva ciencia que estudia la conectividad cerebral.
Olaf Sporns en éste artículo de revisión que comentamos realiza en primer lugar un repaso histórico de la conectómica y de la idea de que la conectividad estructural es importante para entender la función del cerebro. En segundo lugar, explora el concepto de conectoma y su estatuto para finalmente pasar a identificar los retos empíricos y teóricos a los que se enfrenta la empresa de la conectómica en el futuro.
Descubrir y definir la conexiones neuronales ha sido el objetivo científico desde hace décadas e incluso siglos (
Schmahmann y Pandya 2007) en el estudio del cerebro. Desde los primeros anatomistas la extremada complejidad y fragilidad que mostraba el cerebro advertía de la necesidad de técnicas para poder entender el cerebro.
Steno en 1665 dió una lección en donde reconocía "es imposible poder explicar los movimientos de una maquina (el cerebro) si la estructura de sus partes se desconoce"
En los tiempos de Steno la falta de desarrollo de las técnicas anatómicas hizo imposible una completa descripcción de la conectividad cerebral para poder estudiar la función del cerebro.
Años más tarde los estudios de mielinización a gran escala de las fibras axonales y sus rutas de Paul Flechsig y Joseph Jules Dejerine fueron el primer intento para desentramar la complejidad cerebral.
Otro visionario y pionero, Carl Wernicke que al igual que Dejerine realizaba estudios anatómicos en contextos clínicos en relación con el lenguaje mostró por primera vez como abnormalidades anatómicas se asocian a disfunciones y síntomas clínicos.
La noción de que la circuitería y su diagrama es crítica para explicar la función resurgiría numerosas veces durante los años. En el siglo pasado Sydney Brenner y colaboradores (
White et al. 1986) ofrecieron el primer mapa detallado de las conexiones neuronales del nematodo
Caenorhabditis elegans. La racionalidad para establecer el primer mapa de la circuitería neuronal de un organismo se refleja en la primera frase del artículo seminal: "Las propiedades funcionales de un sistema nervioso están determinadas por las características de sus neuronas componentes y los patrones de conexión sináptica entre ellas"
Aunque este conectoma del
C. elegans está disponible desde hace 25 años muy poco uso se le ha dado para estudiar la fisiología y el comportamiento dadas las limitaciones en la caracterización del registro fisiológico de neuronas y sinapsis.
Pero la conectómica del
C. elegans está cogiendo un nuevo ímpetu gracias a los avances tecnológicos en ciencia de redes y teoría de la complejidad con modelos computacioales más robustos (
Jarrel et al. 2012)
En el sistema nervioso de los mamíferos los numerosos estudios anatómicos y fisiológicos han provisto de numerosos evidencias de la importancia de la conectividad estructural para influenciar las respuestas fisiológicas.
El primero en darse cuenta de esto fue Semir Zeki que con sus estudios de la corteza visual del macaco llevo al primer diagrama neuronal de las conexiones cortico-corticales. Para Zeki la conectiviad anatómica es importante para permitir dos de las funciones principales de la corteza visual: la segregación en un mosaico de regiones cerebrales especializadas y la integración para dar una representación perceptual coherente.
Los tempranos estudios de la ciencia de las redes (network science) empezaron a revelar aspectos sorprendentes de los atributos de las conexiones como atributos "small world" y modularidad (
Sporns et al. 2004).
En el año 2005 la idea de que por estudiar las propiedades de conexión estructural se podía revelar la función ya era moneda común en la comunidad científica.
La palabra conectoma se acuño ese mismo año (
Sporns et al. 2005) para referirse a "una completa descripción estructural de la red de elementos y conexiones que forman el cerebro humano" y en paralelo e independientemente también se acuño la palabra conectómica (
Hagmann 2005) definida como "el estudio del conjunto de conexiones estructurales del cerebro".
Microscopios de luz y otros métodos de tinción y neuroimagen que permitían la expresión multicolor de marcadores de neuronas contribuyerón a crear mapas conectómicos (
Livet el al. 2007).
A pesar de las diferencias experimentales y metodológicas de mapear las conexiones anatómicas a niveles microscópicos o macroscópicos existe un consenso ampliamente compartido de la importancia de estudiar las conexiones estructurales y de lo que es un conectoma: un conectoma es un mapa comprehensivo de las conexiones neuronales cuyo propósito es entender la función del cerebro.
El estatuto de la conectómica como una ciencia "omica" (inventario u ontología de compkenntes elementales y sus interrelaciones que forman un dominio de conocimiento biológico) sigue los pasos de la genómica que fue deinida en 1920 como el conjunto de compoenentes moleculares (genes).
Pro no todas las ciencias "omicas" han tenido el mismo éxito y aceptado su utilidad. Eejemplos son la cognomica, funcionómica...
Para que una ciencia "omica" perviva debe compartir una serie de rasgos: universalidad (se debe aplicar a una gran cantidad de sistemas y especies) totalidad (engloba una serie finita y completa de entidades).
La conectómica comparte estos atributos junto con otras ciencias "omicas" consolidadas como la genómica, proteómica y transcriptómica.
Pero a pesar de esta historia de progreso de la conectómica desde los primeros estudios anatómicos del cerebro una serie de retos yacen en el camino a recorrer en un futuro.
Desde hace mucho se reconoce que los sistemas complejos exhiben organización multiescala. Uno de los retos de la conectómica es captar ésta organización multiescala.
La variabilidad es otro gran reto al que debe sobreponerse la conectómica. Los sistemas nerviosos de los individuos exhiben una gran variabilidad estructural.
El efecto modulador de rutas neuromoduladoras que no son facilmente apreciables con las técnicas actuales y la plasticidad a nivel celular y molecular con proteinas, enzimas, canales, receptores... que continuamente se remodelan, reemplazan y resintetizan supone un gran reto para mantner un mapa estructural estable de la conectividad cerebral.
Como dice Olaf Sporns a pesar de la limitaciones y retos a los que tendrá que hacer frente la conctómica no hay lugar a dudas de que el conectoma humano cambiará la forma en la que vemos el cerebro.
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Sporns O (2013). The human connectome: Origins and challenges. NeuroImage PMID: 23528922
