Mapeo de sinapsis para tratamientos farmacológicos personalizados logra un gran avance

Hay hasta 86 mil millones de neuronas en el cerebro humano. Forman trillones de conexiones sinápticas, con cada neurona conectándose con otras neuronas para crear una red compleja.

Es a través de la señalización sináptica que las neuronas se comunican entre sí en las sinapsis, que son uniones donde las neuronas pueden excitar o inhibir a otras neuronas.

Una conexión sináptica, por otro lado, es la unión entre neuronas donde se comunican entre sí mediante señales eléctricas y químicas. El mapeo de las conexiones sinápticas es un proceso de identificar cómo están conectadas entre sí y cuán fuertes son esas conexiones. La estructura de estas conexiones se cree que determina la función cerebral, lo que hace que este proceso sea extremadamente importante.

Sin embargo, el mapeo y la caracterización de las conexiones sinápticas sigue siendo un desafío abierto. Actualmente, estamos limitados al mapeo de solo unos cientos de conexiones sinápticas. No obstante, el último estudio de investigadores de Harvard la ha ampliado a más de 70 000 con precisión, lo que constituye un gran avance en el campo de la neurociencia, particularmente en el registro neuronal.

El mapeo y la catalogación a esta escala se lograron a partir de aproximadamente 2 000 neuronas de rata con la ayuda de un chip de silicio con electrodos microagujeros que pueden detectar simultáneamente señales sinápticas pequeñas pero notables.

Tal avance puede ayudarnos a crear un mapa detallado de las conexiones sinápticas y permitirnos comprender mejor cómo las neuronas se conectan y comunican.

El estudio titulado “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” fue publicado¹ en Nature Biomedical Engineering este mes.

La paralelización del registro intracelular neuronal a gran escala, según el estudio, es un gran desafío que debe superarse ya que permite medir señales sinápticas a través de una red neuronal, lo que a su vez permite el mapeo y la caracterización de las conexiones sinápticas.

Escalando el registro neuronal con innovación avanzada de chips

Para la visualización de estructuras sinápticas, la microscopía electrónica (EM) ha demostrado ser muy eficaz, pero no puede medir la fuerza de las conexiones neuronales. Esto limita la capacidad de la técnica para explicar la funcionalidad de las redes neuronales.

Esto es donde entra el registro patch-clamp, ofreciendo una técnica más precisa para estudiar la actividad sináptica, ya que puede perforar neuronas individuales y capturar incluso señales débiles con alta sensibilidad.

Los científicos Erwin Neher y Bert Sakmann recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1991 por la técnica patch-clamp. El dispositivo de medición experimental demostró la existencia y función de los canales iónicos en la realización de tareas importantes en células vivas como la contracción muscular y la transmisión de impulsos nerviosos. La técnica también permitió que las características clave de los canales se definieran con gran precisión. 

Aunque este método puede ayudar a los investigadores a identificar y medir la fuerza de las conexiones, los científicos han tenido dificultades para registrar señales intracelulares de más de unas pocas neuronas a la vez hasta ahora.

Dirigido por la coautora principal Donhee Ham, profesora de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), los investigadores de este departamento, así como del Departamento de Química y Bioquímica de Harvard, construyeron un chip avanzado.

Más precisamente, el equipo ha construido una matriz de 4 096 electrodos microagujeros en un chip. Este dispositivo realizó el registro intracelular masivamente paralelo de aproximadamente 2 000 neuronas de rata. 

Esto proporcionó a los investigadores abundantes datos sobre señales sinápticas, de los cuales extrajeron más de 70 000 conexiones sinápticas.

El trabajo en realidad se basa en el dispositivo revolucionario que el equipo desarrolló hace algunos años. En ese momento, una matriz de 4 096 electrodos nanonavajas verticales sobresalía de un chip de silicio con el mismo diseño de circuito integrado. 

El chip electrónico presentaba una densa matriz de electrodos de escala nanométrica, verticalmente erectos y recubiertos con polvo de platino (para mejorar la capacidad de paso de señal) en su superficie.

En ese dispositivo, una neurona podía envolver una aguja para permitir el registro intracelular, paralelizado a través de un gran número de electrodos. En ese momento, el equipo pudo registrar más de 1 700 neuronas de rata y mapear más de 300 conexiones sinápticas.

Los números alcanzados fueron récord, pero el equipo sintió que podían mejorarlos aún más, de ahí el último estudio.

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Revolucionando el registro intracelular para el mapeo de conectividad

Con el apoyo del Samsung Advanced Institute of Technology de Samsung Electronics, el equipo diseñó y fabricó la matriz de electrodos microagujeros de platino/platino negro en el chip de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS). 

La matriz se operó para abrir suavemente las células inyectando pequeñas corrientes a través de los electrodos para paralelizar su registro intracelular.

La electrónica integrada en el chip de silicio, según el coautor principal del estudio y ex investigador postdoctoral Woo-Bin Jung, actualmente miembro de la facultad en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang en Corea del Sur, “desempeña un papel igualmente importante al igual que el electrodo microagujero, proporcionando corrientes suaves de manera elaborada para obtener acceso intracelular y, al mismo tiempo, registrar las señales intracelulares”.

El diseño de microagujero utilizado aquí, por otro lado, es similar al electrodo patch-clamp. Estos electrodos microagujeros tienen dos beneficios principales:

1. Son mucho más fáciles de fabricar
2. Se acoplan al interior de las neuronas mejor que los electrodos nanonavajas verticales que el equipo utilizó anteriormente

“Esta accesibilidad es otra característica importante de nuestro trabajo.”

– Jun Wang, Investigador postdoctoral y coautor principal  

Con este nuevo diseño, el equipo logró excelentes resultados. En promedio, el 90 % de los electrodos microagujeros (más de 3 600 de 4 096) se integraron intracelularmente, lo que ayudó al equipo a extraer 70 000 conexiones sinápticas plausibles, mucho más que las 300 obtenidas con la matriz de electrodos nanonavajas.

El equipo no solo obtuvo resultados cuantitativos, sino que también logró calidad en sus datos de registro, lo que les permitió clasificar las conexiones sinápticas según sus fortalezas y características.

Las conexiones sinápticas se catalogaron en conexiones sinápticas eléctricas y excitatorias fuertes/eventuales, excitatorias débiles/no eventuales, e inhibidoras químicas, con una tasa de error estimada del 5 %.

Según el estudio, el mapeo de la conectividad sináptica a este nivel tan extenso, así como la capacidad de identificar conexiones sinápticas, representa un gran paso hacia el mapeo de la conectividad funcional de redes neuronales a gran escala.

En su versión anterior, los investigadores utilizaron el chip de alto rendimiento para calcular los efectos que los fármacos tienen sobre las conexiones sinápticas. En ese momento, el equipo declaró que estaban construyendo un sistema a escala de oblea para pruebas de fármacos para trastornos neurológicos como adicción, autismo, enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Parkinson y esquizofrenia.

El mapeo de la red sináptica biológica también puede proporcionar una nueva estrategia para la inteligencia artificial al construir redes neuronales artificiales de próxima generación y procesadores neuromórficos.

Ahora que el equipo ha obtenido conocimientos sobre las conexiones sinápticas a partir de la enorme cantidad de datos obtenidos del registro intracelular paralelo, están “trabajando hacia un diseño más nuevo que pueda desplegarse en un cerebro vivo”.

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Avances en el mapeo cerebral y neurotecnología

Estudios como estos son cruciales para profundizar nuestra comprensión de las intrincadas conexiones sinápticas del cerebro, revelando no solo la complejidad de las interacciones neuronales sino también proporcionando una base para la investigación avanzada en el mapeo cerebral, uno de los muchos desarrollos emocionantes que están dando forma al futuro de la investigación cerebral.

El cerebro, después de todo, es una estructura interesante pero compleja, lo que lo convierte en un campo de creciente interés entre investigadores e instituciones. Curiosamente, cuanto más estudiamos y conocemos nuestros cerebros, más complejos se vuelven. Como señaló Jeff Lichtman, profesor de biología molecular y celular en Harvard, simplemente describir la naturaleza ha revelado:

“[Que el cerebro es] más complicado de lo que pensábamos.”

Durante más de una década, Lichtman ha estado accediendo a una zona específica (un milímetro cúbico) de la corteza cerebral para crear un mapa detallado de las conexiones en el cerebro humano. A finales del año pasado, Harvard Magazine informó su análisis, descubriendo que las células gliales que apoyan y protegen a las neuronas las dominan en una proporción de 2 a 1. Sin embargo, aún no se ha encontrado una explicación para ello. 

Él y sus colegas también observaron algunas conexiones muy fuertes con muchas sinapsis por cada célula, lo que permite que la información fluya a través del cerebro muy rápidamente, lo que, según ellos, “tal vez… lo que son los recuerdos”.

Para ello, utilizaron tejido del lóbulo temporal de una mujer y lo cortaron en más de 5 000 secciones, cada una escaneada con un microscopio electrónico multibeam construido a medida con muy alta resolución. 

Los investigadores de Google luego desarrollaron nuevos métodos de redes neuronales para identificar elementos en cada una de estas secciones y los combinaron para crear un espacio 3D. La muestra del tamaño de una semilla que imaged contenía 57 000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos y 150 millones de sinapsis.

Lichtman ahora pretende mapear todo el cerebro de un ratón, ya que hacerlo con el cerebro humano aún no es posible. Mientras tanto, un equipo de científicos de Princeton mapearon el cerebro de una mosca de la fruta adulta. 

Anteriormente, los investigadores mapearon el cerebro de una mosca de la fruta larvaria con 3 000 neuronas, pero la mosca de la fruta adulta tiene casi 140 000 neuronas y decenas de millones de sinapsis que las conectan. El mapa se construyó usando 21 millones de imágenes del cerebro de la mosca de la fruta y un modelo de IA. Con la ayuda de este plano, los investigadores buscan proporcionar respuestas sobre qué neuronas son responsables de qué comportamientos.

El cerebro humano, según John Ngai, director de la Iniciativa BRAIN del Instituto Nacional de Salud de EE. UU., declaró, “es más poderoso que cualquier computadora hecha por el hombre”, en muchos aspectos, “sin embargo, en su mayor parte, todavía no comprendemos su lógica subyacente”. 

Y si no tenemos “una comprensión detallada de cómo las neuronas se conectan entre sí, no tendremos una comprensión básica de lo que ocurre correctamente en un cerebro sano o lo que ocurre mal en la enfermedad”.

Esto es la razón por la que hay un enfoque creciente en intentar mapear nuestros cerebros. Científicos del Instituto de Investigación del Centro de Salud Universitario McGill realmente implementó un método llamado “optomapping” este mes para acelerar drásticamente el estudio de las neuronas.

 El equipo ya ha probado más de 30 000 conexiones candidatas y caracterizado alrededor de 1 800 sinapsis en la corteza visual del cerebro de ratón. 

Los descubrimientos clave realizados con optomapping incluyen patrones de conexión únicos en diferentes tipos de neuronas inhibitorias, lo que desafía lo que sabíamos sobre el proceso de flujo de información en las capas corticales del cerebro. También demostraron el cuidadoso equilibrio de los patrones de comunicación del cerebro, con algunas conexiones amplificando señales y otras atenuándolas. 

Además, observaron un desequilibrio en cómo se activan los diferentes tipos de neuronas, lo que puede ayudar en condiciones como el autismo y la epilepsia. Al identificar los cambios, Optomapping podría conducir a tratamientos más específicos y efectivos.

Curiosamente, este mes, el gigante tecnológico Meta Platforms (META ) anunció que había desarrollado un dispositivo que permite a las personas producir texto solo con el pensamiento. Para ello, se utilizó un escáner cerebral y un modelo de IA llamado Brain2Qwerty para decodificar el lenguaje del cerebro sin cirugía.

Sin embargo, las posibilidades de que el producto llegue al mercado son muy bajas debido a varias limitaciones. Por ejemplo, el escáner de magnetoencefalografía utilizado para detectar señales magnéticas es extremadamente grande, pesa alrededor de medio tonelada y es costoso, con un precio de 2 millones de dólares. Además, solo funciona en una sala blindada para amortiguar el campo magnético de la Tierra. 

Pero esto sin duda puede ayudar a avanzar en nuestra comprensión del cerebro humano y la comunicación.

“Intentar comprender la arquitectura o los principios precisos del cerebro humano podría ser una forma de informar el desarrollo de la inteligencia artificial. Ese es el camino.”

– El líder del equipo Brain & AI de Meta, Jean‑Rémi King, dijo a Tech Review.

Los hallazgos muestran que el sistema puede detectar qué teclas pulsaría un mecanógrafo “hábil” con una precisión de hasta el 80 %. Aunque no es perfecto, los investigadores dijeron que es lo suficientemente preciso como para construir oraciones completas a partir de señales cerebrales.

Estos desarrollos, provenientes de una empresa con capitalización de mercado de 1,76 billones de dólares, que se dedica principalmente a las redes sociales y la IA, pueden sorprender a algunos, pero Meta ha estado involucrada en la investigación neurotecnológica durante muchos años.

Además, a diferencia de las empresas que se dedican exclusivamente a la neurotecnología, Meta es rentable, lo que significa que puede invertir en investigación relacionada sin preocuparse por los recursos.

Para contextualizar, la empresa informó recientemente sus resultados del cuarto trimestre, que mostraron un aumento interanual del 21 % en los ingresos, alcanzando 48,39 mil millones de dólares. Después de todo, un promedio de 3,35 mil millones de usuarios activos diarios (DAP) utilizó sus productos. Durante este período, Meta registró 25,02 mil millones de dólares en costos y gastos y 14,84 mil millones en gastos de capital, mientras que su flujo de caja libre fue de 13,15 mil millones de dólares, y el efectivo, equivalentes de efectivo y valores negociables sumaban 77,81 mil millones de dólares. También ha anunciado una inversión de aproximadamente 60‑65 mil millones de dólares en IA este año.

Empresas que impulsan este campo

Ahora, echemos un vistazo a las principales empresas cotizadas que están logrando avances significativos en el campo.

1. Neuronetics, Inc.

Esta empresa de tecnología médica desarrolla productos para pacientes que padecen trastornos neuropsicológicos. Su NeuroStar Advanced Therapy System es un tratamiento no invasivo que utiliza estimulación magnética transcraneal (TMS) para estimular áreas del cerebro asociadas al estado de ánimo. Se utiliza para tratar a pacientes adultos con trastorno depresivo mayor (MDD). 

Con una capitalización de mercado de 267 millones de dólares, las acciones STIM cotizan a 4,80 dólares al momento de escribir este artículo, con un impresionante aumento del 198,14 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -1,22 y su P/E (TTM) es -3,94.

Para el tercer trimestre de 2024, Neuronetics reportó 18,5 millones de dólares en ingresos, una pérdida neta de 13,3 millones de dólares y una disminución en la posición de efectivo a 20,9 millones de dólares desde 59,7 millones al final de 2023. Durante este período, la empresa envió 48 sistemas NeuroStar en EE. UU., y sus ingresos alcanzaron 4,1 millones de dólares, mientras que las sesiones de tratamiento crecieron un 2 %.

Neuronetics también adquirió Greenbrook TMS , lo que se espera que acelere su camino hacia la rentabilidad, según el CEO Keith J. Sullivan.

Según los resultados preliminares del cuarto trimestre, los ingresos de Neuronetics para el cuarto trimestre se estiman en 22,1 millones de dólares y 74,5 millones para todo 2024. Sin embargo, ha <a class="editor-rtfLink" href="https://www.globenewswire.com/news-release/2025/01/13/