Investigadores de la EPFL han desarrollado un método potente para generar mapas de conexiones neuronales biológicamente realistas a nivel cerebral del cerebro de ratón. Su enfoque combina datos experimentales con modelos matemáticos y computacionales para simular cómo se conectan las neuronas en todo el cerebro.
Uno de los mayores desafíos de la neurociencia es comprender cómo está conectado el cerebro. Incluso con las herramientas de imagen modernas, ha sido un reto crear mapas detallados que muestren cómo se conectan los miles de millones de células cerebrales (neuronas), no solo con sus «vecinas» locales, sino también con otras células cerebrales más distantes.
Estos mapas, conocidos como conectomas, son clave para desentrañar los secretos de la función cerebral y las enfermedades. Sin embargo, las técnicas tradicionales de mapeo cerebral solo ofrecen una visión parcial. Si bien los conjuntos de datos experimentales están aumentando, aún son demasiado escasos para reconstruir todas las conexiones importantes, especialmente aquellas que conectan regiones cerebrales distantes. En consecuencia, aún es difícil comprender las funciones cognitivas complejas o determinar la causa de las enfermedades neurológicas.
Un modelo para la investigación y aplicaciones médicas
Científicos del grupo del profesor Henry Markram, del Proyecto Cerebro Azul de la EPFL, han desarrollado una forma de generar mapas de conexiones cerebrales digitales («sintéticos», como se les conoce en el campo), pero biológicamente realistas. Liderados por Lida Kanari, crearon modelos digitales detallados de cómo las neuronas extienden su cableado por todo el cerebro, acercándose así a la construcción de conectomas integrales que pueden utilizarse tanto en investigación como en aplicaciones médicas.
Trabajando con grandes conjuntos de datos de “reconstrucciones axonales” biológicas, incluidos nuevos datos recopilados con el equipo colaborador del profesor Hanchuan Peng (Universidad del Sureste, China), utilizaron el aprendizaje automático para agrupar las neuronas según sus patrones de cableado.
Remy Petkantchin, primer autor del estudio, desarrolló un potente método computacional que genera axones sintéticos que se ajustan a estos patrones de cableado. El método se basó en un modelo matemático desarrollado en 2022 para generar copias digitales de neuronas que imitan cómo las neuronas reales se ramifican y conectan con diversas regiones cerebrales. Los axones sintéticos se diseñaron para seguir las mismas rutas que sus homólogos biológicos, por lo que los conectomas resultantes también reflejaban cómo se conectan las neuronas en un cerebro real.
Cableado realista
Los axones sintéticos presentan características clave de los axones biológicos, como su aspecto y su ubicación de conexión. Al utilizarlos para construir redes cerebrales, el conectoma resultante se asemeja mucho a los generados a partir de datos experimentales, incluyendo las conexiones cruciales de largo alcance que conectan áreas cerebrales distantes.
Al generar miles de axones sintéticos, el equipo creó un modelo digital del cerebro de ratón con un cableado realista. Esto significa que ahora es posible completar las lagunas en los conjuntos de datos existentes sobre el conectoma, explorar cómo se conectan las neuronas en el cerebro e incluso poner a prueba ideas sobre la organización cerebral que serían imposibles de estudiar en animales vivos.
Esta investigación abre nuevas posibilidades para la neurociencia. Los conectomas digitales pueden facilitar simulaciones cerebrales a gran escala, guiar experimentos y ofrecer nuevos conocimientos sobre enfermedades neurológicas. Si bien el estudio se centró en el cerebro de ratones, los mismos principios podrían aplicarse a otras especies, incluyendo a los humanos, a medida que se disponga de más datos.
Otros colaboradores
- Universidad del Sureste (China)
- Academia de Ciencias Naturales de Shanghái
Fondos
Proyecto Cerebro Azul
Escuela Politécnica Federal de Lausana
Junta de ETH
Referencias
Rémy Petkantchin, Adrien Berchet, Hanchuan Peng, Henry Markram, Lida Kanari. Generación de un conectoma cerebral mediante morfologías axónicas sintéticas. Nature Communications, 18 de julio de 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-62030-3
EPFL News. N. P. Traducido al español
