Entre el desafío científico y los nuevos enigmas: así concluye una década de investigación del cerebro

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Diez años, 600 millones de euros, periódicas críticas a la gestión del proyecto, varios cambios de rumbo y una compleja y apasionante colaboración científica entre 155 instituciones de 23 países europeos. Es lo que ha costado concluir el Proyecto Cerebro Humano (Human Brain Proyect o HBP), uno de los mayores retos de investigación financiados por la Unión Europea, que ha aportado dos tercios de los fondos. Ha sido un desafío colosal en el intento de modelar digitalmente —mediante supercomputadores— el órgano que rige nuestras vidas, para intentar desentrañar su estructura y su función.

Como objetivo final de esta iniciativa que ha aunado neurociencia y tecnología se encuentra el desarrollo de aplicaciones innovadoras para abordar patologías como la epilepsia, las enfermedades neurodegenerativas, la esquizofrenia o la ceguera.

Para ello, los científicos han creado mapas detallados de las conexiones neuronales y han desarrollado modelos computacionales que pueden simular la actividad cerebral, lo que ha llevado a un mejor entendimiento de los procesos cognitivos y emocionales.

El HBP también ha contribuido a entender qué es la conciencia y ha avanzado en el conocimiento de los mecanismos neuronales que subyacen a la visión o la memoria.

Desafiante nivel de complejidad

El cerebro ocupa entre 1,4 y 1,5 litros de volumen encerrados en el cráneo, contiene unos 86 000 millones de neuronas relacionadas mediante billones de conexiones sinápticas en continua evolución. Procesa la información que recibimos de nuestro cuerpo y del exterior, almacena recuerdos y nos permite sentir emociones o tener conciencia.

Como relata a SINC, por videoconferencia desde Alemania, la actual directora científica del HBP Katrin Amunts —catedrática del Instituto Cécile y Oskar Vogt de Investigación Cerebral de la Universidad de Düsseldorf y directora del Instituto de Neurociencia y Medicina del Centro de Investigación de Jülich—, el cerebro humano “es un sistema complejo organizado en múltiples escalas espaciales y temporales que interaccionan entre sí”.

Por un lado, este se estructura en niveles que van desde el molecular al celular, hasta llegar al de los sistemas superiores encargados de funciones cognitivas clave, como el lenguaje y la orientación espacial.

Por otro, en términos de tiempo, las células cerebrales pueden reaccionar en fracciones de milisegundos, pero algunos cambios se desarrollan a lo largo de toda la vida, según explica la neurocientífica.

“Es el sistema más apasionante y complejo que se pueda estudiar”, sostiene.

Entre lo audaz y lo descabellado

Las semillas del HBP las plantó, en Suiza, Henry Markram —carismático neurocientífico de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL)— con la fundación, en 2005, de la iniciativa de investigación internacional Blue Brain Project, que ya perseguía la recreación digital del cerebro de algunos mamíferos.

El espaldarazo definitivo llegó cuando, en 2013, la Comisión Europea consideró al HBP y la investigación del grafeno como proyectos emblemáticos ganadores de su primer concurso de Tecnologías Futuras y Emergentes (FET), un programa destinado a impulsar a largo plazo la industria y promover el liderazgo tecnológico.

Así, el HBP se garantizó una financiación millonaria durante una década que ha estado jalonada a la par de hitos científicos y controversias, y que este septiembre toca a su fin. 

Su principal objetivo era tan claro para Markram, su promotor inicial, como descabellado para algunos de sus críticos: lograr la simulación virtual mediante supercomputadores del cerebro humano en su totalidad, de la misma manera en que el Proyecto Genoma Humano había cartografiado nuestro genoma una década antes (la secuencia completa se publicó en 2003).

En efecto, esa meta se ha demostrado demasiado ambiciosa. Para algunos investigadores, la producción científica del HBP ha quedado "fragmentada y en mosaico", como declaró a Nature Yves Frégnac, miembro del HBP, científico cognitivo y director de investigación del Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia (CNRS). "No veo el cerebro, veo partes del cerebro", afirmó este investigador.

El HBP también ha sufrido frecuentes críticas a su gestión y trayectoria, muchas desde dentro. La más sonada fue la carta de protesta dirigida a la Comisión Europea que firmaron alrededor de 150 científicos en julio de 2014.

La misiva llevó, ocho meses después, a la disolución de su comité ejecutivo formado por tres personas —Markram entre ellas—y a su sustitución por otro más amplio. El detonante, la decisión de Markram —entonces director del HBP— de eliminar la neurociencia cognitiva de la iniciativa, lo que se tradujo en la salida del proyecto de una red de 18 laboratorios participantes. Los vaivenes en la dirección del proyecto no acabaron ahí, produciéndose nuevos cambios entre 2016 y 2020.

Logros pioneros 

En cualquier caso, Amunts cree que los principales objetivos del HBP sí se han logrado y destaca la reciente publicación de un libro, disponible en línea, que recoge todas las herramientas y servicios que se han desarrollado.

“Al principio se hizo demasiado hincapié en el significado y el papel de la simulación y también se simplificó demasiado. Se dio a entender que era un método que permitía estudiar la función de todo el cerebro con todos los detalles, pero eso no es así”, señala.

De hecho, esta experta considera que lo importante no es tanto ofrecer una copia digital del cerebro en su totalidad, sino posibilitar modelos y simulaciones específicas que den respuesta a problemas concretos: “En ese campo, hemos visto muchos progresos en los últimos diez años”.

Además, recalca, “estos modelos están empezando a tener aplicaciones clínicas y podemos avanzar en medicina aplicándolos a cuestiones muy concretas”. Su poder de predicción es “suficientemente bueno” como para “ayudar a los cirujanos a planificar mejor su cirugía en pacientes con epilepsia", añade.

En efecto, pese a los avatares y aun habiendo descarrilado el mapeo global, los numerosos subproyectos del HBP han logrado avances determinantes para la neurociencia. Entre los más destacados, la creación de una infraestructura virtual de investigación denominada EBRAINS —disponible para científicos de todo el planeta— que reúne datos, herramientas y aplicaciones informáticas para realizar simulaciones y experimentación relacionada con el cerebro.

Su origen lo constituyeron seis plataformas operativas independientes lanzadas por el HBP en 2016 que abarcaban áreas como la simulación cerebral, el análisis y computación de alto rendimiento o la neurorobótica, y que se han acabado integrando en una sola, en un intento por atajar las reiteradas críticas recibidas a causa de la fragmentación de los hallazgos del HBP.

También se ha desarrollado el atlas más detallado hasta la fecha del cerebro humano —accesible a través de EBRAINS— y se han mapeado de forma tridimensional unas 200 regiones cerebrales. “Es como un Google Maps para el cerebro”, observa Amunts. "Permite combinar los diferentes aspectos de la organización cerebral e ir de lo micro a lo macro para vincular los diferentes niveles. Capta, asimismo, las variaciones de las áreas cerebrales entre sujetos, lo que es fundamental para posibilitar sus aplicaciones clínicas”, indica.

El HBP ha contribuido asimismo al desarrollo de la inteligencia artificial (IA) mediante la creación de redes neuronales artificiales y modelos de aprendizaje profundo, facilitando técnicas avanzadas para el procesamiento de grandes volúmenes de datos o elaborando modelos computacionales que intentan simular el funcionamiento del cerebro humano, e incluso controlar robots o teléfonos inteligentes. También lo ha hecho proveyendo herramientas útiles para investigadores en IA que buscan entender mejor los fundamentos biológicos del aprendizaje y la cognición.

De los cerebros virtuales a la clínica

Entre las aplicaciones clínicas logradas destaca el desarrollo de “cerebros gemelos”. Se trata de clones digitales personalizados donde, por ejemplo, se identifican con precisión las áreas de la corteza cerebral responsables de desencadenar crisis en epilepsias que no responden a tratamientos farmacológicos convencionales. Esto, a su vez, facilita que se orienten mejor los procedimientos quirúrgicos que abordan estas condiciones médicas.

El uso de estas copias virtuales del cerebro también se ha estudiado para dirigir la colocación de implantes que, mediante estímulos eléctricos, pueden mejorar los síntomas de algunos pacientes con párkinson y predecir sus resultados antes de realizar la cirugía.

Eduardo Fernández —catedrático y director del Instituto de Bioingeniería de la Universidad Miguel Hernández de Elche— es coautor de una de las publicaciones científicas derivadas del HBP. Se trata de una investigación publicada en 2020, en Science, que avanza en primates no humanos la posibilidad de restaurar la visión en invidentes mediante implantes en la corteza cerebral, como detalla por teléfono a SINC el también miembro del CIBER-BBN (Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina).

Aunque Fernández no está vinculado directamente al HBP, sí lo está el grupo de Pieter Roelfsema, director del Instituto de Neurociencias de Holanda (NIN), con quienes colaboraron en este trabajo. “Implantamos 1 024 electrodos en su corteza visual y demostramos que somos capaces de inducir percepciones complejas, e incluso que los animales eran capaces de percibir diferentes letras”, detalla el experto.

El equipo de Fernández ya ha ido más allá, probando esta técnica en tres personas voluntarias. El primero de esos casos se publicó, en 2021, en The Journal of Clinical Investigation. Se trataba de una persona de 57 años con ceguera total, a quien se le implantaron 96 electrodos que se mantuvieron seis meses en su corteza visual, lo que le permitió identificar algunas letras grandes y reconocer límites de objetos.

“El sistema completo lleva unas gafas con una pequeña cámara que codifica la información que recibe mediante unos algoritmos, como si fuera una retina artificial, y eso es lo que se envía al cerebro”, según relata Fernández. “También tenemos que hacer un seguimiento de hacia dónde está mirando el globo ocular porque si el ojo se mueve, la percepción también se desplaza”, aclara.

En cualquier caso, “esto es investigación, no es ningún tratamiento clínico”, matiza el especialista, que subraya que su objetivo es mejorar la calidad de vida de estas personas.

“Desarrollamos un sistema que a personas totalmente ciegas les pueda ayudar en su orientación, su movilidad o a leer caracteres grandes. Pero no es como ver de nuevo, no es recuperar la visión, eso no sabemos hacerlo. Lo que sí empezamos a saber es cómo proporcionar información útil para algunas tareas. Al final, las personas aprenden a manejarla, es como aprender un lenguaje nuevo”, zanja el investigador.