Un esfuerzo de colaboración entre Harvard y Google ha dado lugar a un gran avance en la ciencia del cerebro, al producir un mapa 3D completo de un pequeño segmento del cerebro humano, revelando interacciones neuronales complejas y sentando las bases para mapear un cerebro de ratón completo.

Un milímetro cúbico de tejido cerebral puede no parecer mucho. Pero considerando que este pequeño cuadrado contiene 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos y 150 millones de sinapsis, lo que representa 1.400 terabytes de datos, los investigadores de Harvard y Google acaban de lograr algo enorme.

Un equipo de Harvard dirigido por Jeff Lichtman, profesor Jeremy R. Knowles de biología molecular y celular y recién nombrado decano de ciencia, co-creó con investigadores de Google la reconstrucción 3D con resolución sináptica más grande de un fragmento de cerebro humano hasta el día de hoy. mostrando con gran detalle cada célula y su red de conexiones neuronales en una porción de la corteza temporal humana de aproximadamente la mitad del tamaño de un grano de arroz.

Avances tecnológicos en neurociencia

La impresionante hazaña, publicada en la revista Ciencia, es el último de una colaboración de casi 10 años con científicos de Google Research, que combinan imágenes de microscopía electrónica de Lichtman con algoritmos de inteligencia artificial para codificar por colores y reconstruir el cableado extremadamente complejo del cerebro de los mamíferos. Los tres primeros coautores del artículo son Alexander Shapson-Coe, ex investigador postdoctoral en Harvard; Michał Januszewski de Google Research y Daniel Berger, investigador postdoctoral en Harvard.

El objetivo final de la colaboración, apoyada por la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de SaludImplica crear un mapa de alta resolución del cableado neuronal completo del cerebro de un ratón, lo que implicaría aproximadamente 1.000 veces la cantidad de datos que acaban de producir a partir del fragmento de 1 milímetro cúbico de la corteza humana.

Información del último mapa cerebral

«La palabra 'fragmento' es irónica», dijo Lichtman. “Un terabyte es, para la mayoría de la gente, gigantesco, pero un trozo de cerebro humano –sólo un pequeño trozo de cerebro humano– sigue siendo miles de terabytes”.

El último mapa publicado en Science contiene detalles nunca antes vistos sobre la estructura del cerebro, incluido un raro pero poderoso conjunto de axones conectados por hasta 50 sinapsis. El equipo también notó rarezas en el tejido, como una pequeña cantidad de axones que forman grandes verticilos. Dado que su muestra fue tomada de un paciente epiléptico, no saben si estas formaciones inusuales son patológicas o simplemente raras.

El campo de la conectividad

El campo de Lichtman es la «conectómica», que, de forma análoga a la genómica, busca crear catálogos completos de la estructura del cerebro, hasta las células individuales y el cableado. Estos mapas completos abrirían el camino a nuevos conocimientos sobre las funciones y enfermedades del cerebro, sobre las que los científicos todavía saben muy poco.

Los algoritmos de inteligencia artificial de última generación de Google permiten la reconstrucción y el mapeo del tejido cerebral en tres dimensiones. El equipo también desarrolló un conjunto de herramientas disponibles públicamente que los investigadores pueden utilizar para examinar y anotar el conectoma.

Direcciones futuras

«Dada la enorme inversión que se hizo en este proyecto, era importante presentar los resultados de una manera que ahora todos puedan beneficiarse de ellos», dijo Viren Jain, colaborador de Google Research.

Luego, el equipo abordará la formación del hipocampo del ratón, importante para la neurociencia debido a su papel en la memoria y las enfermedades neurológicas.

Referencia: “Un fragmento de petavoxel de la corteza cerebral humana reconstruido en la nanoescala resolución » por Alexander Shapson-Coe, Michał Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuohong Wang, Jeremy Maitin-Shepard, Neha Karlupia, Sven Dorkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Leavitt, Dongil Lee, Jakob Troidl, Forrest Collman, Luke Bailey, Angerica Fitzmaurice, Rohin Kar, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Carena, David Aley, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg, Viren Jain y Jeff W. Lichtman, 10 de mayo de 2024, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adk4858

Probablemente todavía estemos a un mes del próximo lanzamiento del megacohete Starship de SpaceX.

Esta fue la línea de tiempo propuesta por Elon Musk en un publicar en este fin de semana, diciendo que el próximo vuelo de prueba de Starship está «probablemente dentro de 3 a 5 semanas». “El objetivo es que el barco supere el nivel máximo de calefacción, o al menos más que la última vez”, añadió el empresario multimillonario.

Antiguas y vastas extensiones de corteza continental, conocidas como cratones, han estabilizado los continentes de la Tierra durante miles de millones de años mediante cambios en las masas terrestres, la formación de montañas y el desarrollo de los océanos. Los científicos de Penn State han sugerido un nuevo mecanismo que podría explicar la formación de cratones hace unos 3 mil millones de años, arrojando luz sobre una cuestión de larga data en la historia geológica de la Tierra.

Los científicos informaron en la revista. Naturaleza que es posible que los continentes no hayan surgido de los océanos de la Tierra como masas continentales estables, caracterizadas por una corteza superior enriquecida en granito. Más bien, la exposición de rocas frescas al viento y la lluvia hace unos 3 mil millones de años desencadenó una serie de procesos geológicos que finalmente estabilizaron la corteza, permitiéndole sobrevivir durante miles de millones de años sin ser destruida ni reajustada.

Los resultados podrían representar una nueva comprensión de cómo evolucionan los planetas potencialmente habitables similares a la Tierra, dijeron los científicos.

Implicaciones para la evolución planetaria

«Para crear un planeta como la Tierra, hay que crear una corteza continental y estabilizarla», dijo Jesse Reimink, profesor asistente de geociencias en Penn State y autor del estudio. “Los científicos han considerado que esto es lo mismo: los continentes se estabilizaron y luego emergieron sobre el nivel del mar, pero lo que estamos diciendo es que estos procesos son distintos.

Los cratones se extienden más de 150 kilómetros, o 93 millas, desde la superficie de la Tierra hasta el manto superior, donde actúan como la quilla de un barco, manteniendo los continentes flotando al nivel del mar o cerca de él durante todo el tiempo geológico, dijeron los científicos.

La meteorización puede haber concentrado en última instancia elementos productores de calor como uranio, torio y potasio en la corteza poco profunda, permitiendo que la corteza más profunda se enfríe y endurezca. Este mecanismo creó una capa de roca dura y gruesa que podría haber protegido el fondo de los continentes de una mayor deformación, una característica de los cratones, dicen los científicos.

Procesos geológicos y producción de calor.

«La receta para formar y estabilizar la corteza continental implica concentrar estos elementos productores de calor, que pueden considerarse como pequeños motores térmicos, muy cerca de la superficie», dijo Andrew Smye, profesor asociado de geociencias en Penn State y autor del trabajo. . estudiar. “Tenemos que hacer esto porque cada vez que átomo Cuando el uranio, el torio o el potasio se desintegran, liberan calor que puede aumentar la temperatura de la corteza. La corteza caliente es inestable: tiende a deformarse y no se pega.

Cuando el viento, la lluvia y las reacciones químicas destruyeron las rocas de los primeros continentes, los sedimentos y los minerales arcillosos fueron arrastrados a arroyos y ríos y llevados al mar, donde crearon depósitos sedimentarios como esquistos ricos en concentraciones de uranio, torio y potasio. dicen los científicos.

Estas antiguas rocas metamórficas llamadas gneises, encontradas en la costa ártica, representan las raíces de los continentes ahora expuestos en la superficie. Los científicos dijeron que las rocas sedimentarias intercaladas en estos tipos de rocas proporcionarían un motor térmico para estabilizar los continentes. Crédito: Jesse Reimink

Las colisiones entre placas tectónicas enterraron estas rocas sedimentarias en las profundidades de la corteza terrestre, donde el calor radiogénico liberado por las esquistos provocó el derretimiento de la corteza inferior. Los derretimientos flotaron y ascendieron hacia la corteza superior, atrapando elementos productores de calor en rocas como el granito y permitiendo que la corteza inferior se enfriara y endureciera.

Se cree que los cratones se formaron hace entre 3 y 2.500 millones de años, una época en la que los elementos radiactivos como el uranio se habrían desintegrado aproximadamente al doble de velocidad y habrían liberado el doble de calor que en la actualidad.

El trabajo destaca que la época en que se formaron los cratones a principios de la Tierra Media era particularmente adecuada para los procesos que podrían haber conducido a su estabilidad, dijo Reimink.

«Podemos considerar esto como una cuestión de evolución planetaria», dijo Reimink. “Uno de los ingredientes clave que se necesitan para crear un planeta como la Tierra podría ser la aparición de continentes relativamente temprano en su vida. Porque se van a crear sedimentos radiactivos que están muy calientes y que producirán una corteza continental muy estable que vive alrededor del nivel del mar y es un entorno ideal para que se propague la vida.

Los investigadores analizaron las concentraciones de uranio, torio y potasio en cientos de muestras de rocas del período Arcaico, cuando se formaron los cratones, para evaluar la productividad térmica radiogénica basándose en las composiciones reales de las rocas. Utilizaron estos valores para crear modelos térmicos de formación de cratones.

«Anteriormente, la gente observaba y consideraba los efectos del cambio en la producción de calor radiogénico a lo largo del tiempo», dijo Smye. «Pero nuestro estudio vincula la producción de calor a partir de rocas con la aparición de continentes, la generación de sedimentos y la diferenciación de la corteza continental».

Los cratones, que normalmente se encuentran en el interior de los continentes, contienen algunas de las rocas más antiguas de la Tierra, pero siguen siendo difíciles de estudiar. En áreas tectónicamente activas, la formación de un cinturón montañoso podría sacar a la superficie rocas que alguna vez estuvieron enterradas a gran profundidad.

Pero los orígenes de los cratones siguen siendo profundamente subterráneos e inaccesibles. Los científicos dijeron que el trabajo futuro implicaría tomar muestras del interior de cratones antiguos y, tal vez, perforar núcleos para probar su modelo.

«Estas rocas sedimentarias metamorfoseadas que se han derretido y han producido granitos que concentran uranio y torio son como cajas negras que registran la presión y la temperatura», dijo Smye. «Y si podemos desbloquear estos archivos, podremos probar las predicciones de nuestro modelo sobre la trayectoria de vuelo de la corteza continental».

Referencia: “La erosión subaérea condujo a la estabilización de los continentes” por Jesse R. Reimink y Andrew J. Smye, 8 de mayo de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07307-1

Penn State y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. financiaron este trabajo.