Crean la simulación del cerebro más detallada hasta la fecha

Hasta la fecha, muchos de los avances en neurociencias se han producido gracias a cerebros (vivos o muertos) y, en particular a características diferenciales en ellos: lo distinto da claves sobre enfermedades, trastornos, personalidad…

Solo hay un problema: disponemos de una cantidad limitada de cerebros para estudiar y las pruebas de fármacos son casi imposibles. Aquí es donde entran las simulaciones: contar con un cerebro virtual permite realizar miles de ensayos. Y cuanto más detallado sea este modelo virtual, más precisos serán los resultados.

Aprovechando la potencia de uno de los superordenadores más rápidos del mundo, un equipo internacional de científicos, liderados por Tadashi Yamazaki, ha creado una de las simulaciones cerebrales biofísicamente realistas más grandes y detalladas jamás realizadas en un animal.

Esta copia virtual de la corteza cerebral completa de un ratón permite estudiar el cerebro de una forma novedosa: simulando enfermedades como el Alzheimer o la epilepsia en el mundo virtual para observar en detalle cómo se propaga el daño a través de las redes neuronales, o comprender la cognición y la consciencia. La simulación reproduce tanto la forma como la función, con casi diez millones de neuronas, 26 mil millones de sinapsis y 86 regiones cerebrales interconectadas.

Este avance ha sido posible gracias al Superordenador Fugaku, capaz de realizar cuatrillones de cálculos por segundo. Para ponerlo en perspectiva, si se empezaran a contar ahora mismo, una por una por segundo, se tardarían más de 12.700 millones de años en alcanzar esa cifra (aproximadamente la edad del universo). La simulación será presentada en SC25, la principal conferencia mundial de supercomputación, que tendrá lugar a mediados de noviembre.

"El superordenador Fugaku se utiliza para la investigación en una amplia gama de campos de la ciencia computacional – añade Yamazaki -, como la astronomía, la meteorología y el descubrimiento de fármacos, contribuyendo a la resolución de muchos problemas sociales. En esta ocasión, utilizamos Fugaku para una simulación de circuitos neuronales".

Utilizando el Brain Modeling Toolkit del Instituto Allen, el equipo de Yamazaki tradujo los datos a una simulación digital funcional de la corteza cerebral. Un simulador neuronal, Neulite, transformó las ecuaciones en neuronas que generan potenciales de acción, señales y se comunican como sus contrapartes vivas.

Los científicos podrán usar este modelo para formular preguntas detalladas sobre lo que ocurre en una enfermedad, cómo las ondas cerebrales influyen en la concentración o cómo se propagan las convulsiones en el cerebro, y luego probar sus hipótesis. Antes, estas preguntas solo podían abordarse utilizando tejido cerebral real, un experimento a la vez.

Estas simulaciones pueden ayudar a encontrar respuestas sobre trastornos cerebrales, revelando cómo se originan los problemas antes de que aparezcan los síntomas, y permiten a los investigadores probar nuevos tratamientos o terapias de forma segura en un entorno digital.

"Esto demuestra que la puerta está abierta. Podemos ejecutar este tipo de simulaciones cerebrales de forma eficaz con suficiente potencia de cálculo - afirma Anton Arkhipov, coautor del proyecto -. Es un hito técnico que nos da la seguridad de que los modelos mucho más grandes no solo son posibles, sino también alcanzables con precisión y a gran escala".

Observar la corteza cerebral de un ratón simulada es como observar la biología en tiempo real. Captura la estructura y el comportamiento reales de las células cerebrales, desde las ramificaciones de las neuronas y la activación de las sinapsis, los diminutos contactos que transmiten mensajes desde las neuronas ascendentes a las descendentes, hasta el flujo y reflujo de las señales eléctricas a través de las membranas.

"Es una proeza técnica, pero solo es el primer paso – concluye Yamazaki -. La clave está en los detalles, y creo que en los modelos biofísicos detallados. Nuestro objetivo a largo plazo es construir modelos de cerebro completo, e incluso, con el tiempo, modelos humanos. Con este tipo de potencia computacional, el objetivo de un modelo cerebral completo y biofísicamente preciso ya no es solo ciencia ficción".

Los científicos se encuentran en una nueva frontera donde comprender el cerebro significa, literalmente, poder construir uno.

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