El Proyecto Cerebro Humano estudia el cerebro y sus enfermedades. En el primer enfoque, se recrea un modelo realista del cerebro basado en datos neurocientíficos y genéticos detallados. En segundo lugar, hay que recopilar grandes cantidades de datos de muchos aspectos de una enfermedad en un solo formato de datos. El objetivo es combinar ambos enfoques para vincular las complejas causas genéticas y neurofisiológicas de las enfermedades psiquiátricas con los complejos fenotipos asociados.
Desde hace tiempo se reconoce que las enfermedades psiquiátricas como la esquizofrenia y la depresión no pueden explicarse de forma monocausal, sino que se requieren explicaciones multifactoriales. A nivel de la metodología de investigación, esto significa que los enfoques de investigación aislados no son suficientes, sino que se necesitan métodos que puedan captar la combinatoria de mecanismos multifactoriales (por ejemplo, a nivel genético, neurobiológico y fenomenológico). Lo mismo ocurre con la investigación sobre el cerebro humano, con miles de millones de neuronas y conexiones neuronales.
El objetivo del Proyecto Cerebro Humano es poder explorar la complejidad del cerebro y sus enfermedades. Para ello se han previsto dos enfoques: En primer lugar, se reconstruirá un modelo digital del cerebro basado en datos neurocientíficos y genéticos. Por otro lado, hay que reunir grandes cantidades de datos de muchos aspectos de una enfermedad en un formato de datos uniforme. La visión de este proyecto es combinar estos dos enfoques y encontrar nuevas vías explicativas integrando las características genéticas y neurofisiológicas de las enfermedades psiquiátricas y los complejos fenotipos asociados a ellas. En resumen, se trata de un enfoque que se ocupa de recopilar y analizar grandes cantidades de datos relacionados con el cerebro humano.
” Enfoque ascendente y enfoque descendente
El enfoque ascendente se centra en el objetivo de reconstruir completamente el cerebro, es decir, digitalizarlo. A nivel metodológico, se trata de un proyecto de integración de datos comparable al desarrollo de un atlas digital basado en varias fuentes de datos de diferentes escalas. A partir de los datos del “Proyecto Cerebro Azul” [1], se está diseñando un modelo digital de la estructura y el funcionamiento del cerebro. En el enfoque descendente, se recopilan datos sobre diferentes características de una enfermedad (nivel genético y molecular, nivel de comportamiento, etc.). Estos datos se recogen en clínicas y universidades asociadas, permanecen en los ordenadores de las respectivas instituciones y se analizan mediante un software especial. A continuación, los parámetros de estos análisis se almacenan en una plataforma neuroinformática central. A partir de ahí, estos datos se transmiten a otras plataformas:
- Plataforma de simulación (=examen del cerebro sano)
- Plataforma sobre enfermedades
Existen doce subproyectos dentro del Proyecto Cerebro Humano. En el marco del subproyecto 10 (“Neurorobótica”), por ejemplo, está disponible para científicos y otros profesionales un nuevo entorno basado en la web (“Plataforma de Neurobiótica”) (Fig. 1), que ofrece la posibilidad de vincular modelos cerebrales con simulaciones detalladas de robots y sus entornos y utilizar los sistemas neurorobóticos resultantes para experimentos in silico [2].
La plataforma informática médica
El subproyecto sobre investigación de enfermedades mentales (“Plataforma de informática médica”) (Fig. 1) trata sobre una mejor comprensión de las enfermedades mentales. Participan 14 instituciones asociadas y 5 clínicas, incluido un grupo de investigación dirigido por Ferah Kherif y Bogdan Draganski, ambos investigadores y profesores de la Universidad de Lausana.
La ciencia del cerebro y los diagnósticos clínicos deben vincularse y estandarizarse en términos de tecnología de datos. El objetivo es predecir y explicar mejor las enfermedades complejas integrando los datos sobre las características clínicas (fenomenología), etiológicas y biológicas y cotejando estos datos con el modelo digital del cerebro.
¿Cómo se aplica? Se mide toda la información disponible sobre una enfermedad concreta a nivel genético, molecular o de comportamiento. Para analizar estos datos se utilizan algoritmos de aprendizaje automático. De este modo, la red aprende a encontrar diferencias y a formar conglomerados dentro de un enorme conjunto de datos.
Por ejemplo, un análisis de un gran conjunto de datos de pacientes de Alzheimer [3] con datos sobre características genéticas, moleculares y cognitivas realizado con este método dio como resultado la identificación de diferentes subgrupos. Con este método, se puede investigar cómo ciertos mecanismos producen una determinada fenomenología. En un siguiente paso, estos hallazgos podrían utilizarse para desarrollar fármacos específicos para cada subgrupo. Dado que el Proyecto Cerebro Humano es una infraestructura de “Big Data” con el objetivo de acceder a una gran cantidad de datos clínicos, también deben aclararse cuestiones éticas, como las condiciones del “consentimiento informado” [4].
Ejemplo concreto de aplicación: modelo explicativo para la esquizofrenia
Los estudios empíricos demuestran que en los trastornos esquizofrénicos existen anomalías en varias características a distintos niveles y que los factores genéticos desempeñan un papel importante. Por ejemplo, se demostró que el riesgo de desarrollar esquizofrenia en algún momento de la vida (“riesgo de por vida”) es del 50% para un hermano gemelo de una persona con la enfermedad. Los hijos de padres enfermos tienen un riesgo del 13% de desarrollar también esquizofrenia. En estudios empíricos, se ha descubierto que los pacientes con esquizofrenia son significativamente más lentos en tareas con una alta demanda de memoria de trabajo en comparación con un grupo de control de personas sanas y que los patrones de actividad neuronal en el córtex prefrontal difieren. Una batería de pruebas mostró anomalías en varias pruebas (por ejemplo, la prueba de clasificación de tarjetas de Wisconsin, el enmascaramiento visual, Stroop, etc.). Sin embargo, apenas se encontraron correlaciones entre los resultados de las pruebas individuales y los polimorfismos de “nucleótido único” y los resultados en las pruebas cognitivas. Esto demuestra que se trata de una enfermedad compleja.
Herzog ilustró el reto combinatorio de una enfermedad multifactorial como la esquizofrenia de forma simplificada utilizando un experimento mental: suponiendo que haya ocho factores relevantes para la enfermedad y que cada uno de estos factores tenga dos variantes (por ejemplo, “Arriba”, “Abajo”), entonces hay 256 constelaciones “Arriba”/”Abajo”. Cada componente individual no plantea problemas, lo decisivo es la combinación de las distintas variantes. Que todas las variantes sean “Arriba” o “Abajo” corresponde a una probabilidad inferior al 1%. Esto corresponde a la prevalencia de la esquizofrenia en la población general. Para investigar con más detalle los mecanismos de las enfermedades complejas, se necesitan grandes cantidades de datos, así como métodos analíticos que puedan captar la combinación de diferentes características y formar conglomerados. Este es un ejemplo de una posible aplicación de la metodología de investigación del Proyecto Cerebro Humano.
Actividades de investigación previstas
En abril de 2018 habrá una convocatoria de propuestas con más detalles sobre las condiciones de participación en el Proyecto Cerebro Humano. Una posibilidad es llevar a cabo la recogida de datos en el entorno clínico. Está previsto que el software para el análisis de los datos se instale en los ordenadores de la clínica correspondiente y que sólo se exporten a ordenadores externos los metadatos anonimizados y encriptados. Por tanto, los datos originales permanecen siempre en los ordenadores de la clínica. Los metadatos encriptados deben ponerse a disposición del público y ser accesibles a las personas interesadas. En el futuro, cualquiera que se inscriba en el proyecto podrá averiguar, por ejemplo, cómo afecta una determinada concentración de proteínas a otros parámetros.
- Página web El Proyecto Cerebro Humano
www.humanbrainproject.eu
Literatura:
- El Proyecto Cerebro Azul. Una iniciativa de Swiss Brain. http://bluebrain.epfl.ch
- Falotico E, et al: Conexión de cerebros artificiales a robots en un marco de simulación integral: la plataforma Neurorobotics. Front Neurorobot, 2017 25 Ene; https://doi.org/10.3389/fnbot.2017.00002
- Adaszewski S, et al.: ¿En qué fase podemos predecir la enfermedad de Alzheimer utilizando la anatomía computacional? Neurobiol Envejecimiento 2013; 34(12): 2815-2826.
- Christen M, et al.: Sobre la compatibilidad de la investigación impulsada por los grandes datos y el consentimiento informado: el ejemplo del Proyecto Cerebro Humano. En: Mittelstadt B., Floridi L. (eds). La ética de los macrodatos biomédicos. Law, Governance and Technology Series 2016; 29. Springer, Cham
Para saber más:
- Amunts K, et al: El Proyecto Cerebro Humano: Creación de una infraestructura europea de investigación para descodificar el cerebro humano: Neuron 2016; 92 (3): 574-581, https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.10.046
- Amunts K, et al. BigBrain: Un modelo tridimensional del cerebro humano de altísima resolución. Science 2013; 340: 1472-1475, DOI: 10.1126/science.1235381, http://science.sciencemag.org/content/340/6139/1472
- Deco G, Kringelbach ML. Grandes expectativas: el uso de la conectómica computacional de todo el cerebro para la comprensión de los trastornos neuropsiquiátricos. Neuron 2014; 84 (5): 892-905. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2014.08.034
InFo NEUROLOGÍA Y PSIQUIATRÍA 2017; 15(6): 46-48
