El proyecto de investigación del cerebro mediante la mejora de neurotecnologías innovadoras (BRAIN, por sus siglas en inglés), tiene como objetivo reconstruir la actividad de cada neurona a medida que se activa simultáneamente en los distintos circuitos cerebrales, o tal vez incluso en cerebros enteros.
El "próximo gran proyecto americano", como lo denominó Obama, podría ayudar a los neurocientíficos a entender los orígenes de la cognición, la percepción y otras actividades cerebrales enigmáticas, que podrían conducir a nuevos tratamientos más efectivos para enfermedades como el autismo o los trastornos del estado de ánimo, y podría ayudar a los veteranos que sufren de lesiones cerebrales.
La ciencia del cerebro a gran escala también es algo que los europeos tienen en mente. Recientemente, la Unión Europea anunció cerca de 1.200 millones de euros a 10 años para simular computacionalmente el cerebro humano desde el nivel molecular y neuronal hasta los circuitos neuronales.
Varias herramientas, como la genética y la biología molecular, han ayudado a los investigadores a entender cómo se comportan las neuronas a nivel individual. Sin embargo, los neurocientíficos están ahora en condiciones de estudiar la actividad aislada y al mismo tiempo de un puñado de estas células cerebrales, usando sondas de electrodos para la detección de voltaje.
Ya están en marcha otros esfuerzos para trazar un mapa de las conexiones físicas en el cerebro, pero se centran o bien en analizar cerebros muertos o en proporcionar solamente una imagen áspera y de baja resolución del modo en que las regiones del cerebro se comunican. Por ejemplo, el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro ha desarrollado varios de los así llamados Atlas Cerebrales, que crean un mapa de las conexiones físicas entre las neuronas en los cerebros de distintas especies, así como los patrones genéticos únicos en cada neurona. Si bien estos mapas estáticos son muy buenos para aprender acerca de la arquitectura del cerebro, no proporcionan información acerca del modo en que la actividad neuronal conduce a la función cerebral.
Es posible obtener una visión aproximada de la actividad de todo el circuito neural utilizando herramientas como la RM y el EEG, pero solo a baja resolución. Además, el comportamiento del cerebro entre estas dos escalas, en la que miles o millones de neuronas interactúan para controlar el comportamiento de circuitos discretos en el cerebro, ha resultado inaccesible. Los científicos aún no entienden cuántas complejas interacciones entre un gran número de neuronas a la vez dan lugar a la función de los circuitos neuronales.
La iniciativa BRAIN propone desarrollar nuevas tecnologías que puedan registrar la actividad de miles, si no millones o miles de millones de neuronas simultáneamente en escalas de tiempo que emparejen comportamiento y actividades mentales. La iniciativa probablemente se dirigirá a circuitos cerebrales discretos en diferentes especies de animales, con el objetivo de entender cómo funcionan las neuronas juntas para dar lugar a conductas, estados de ánimo y otros fenómenos mentales.
Será necesario el desarrollo de nuevas tecnologías para que BRAIN alcance sus objetivos, y dichas tecnologías probablemente saquen partido de los recientes avances en nanotecnología. Los sensores existentes pueden registrar la actividad eléctrica de las neuronas, pero normalmente pueden supervisar menos de 100 neuronas a la vez.
Podrían usarse las nuevas técnicas de micro y nanofabricación para crear pequeños chips con sondas químicas e incluso eléctricas más pequeñas que resultarían menos invasivas. Por ejemplo, podrían apilarse nanosondas que lleven varias docenas de electrodos para hacer registros en cientos de miles de localizaciones y transmitir datos de forma inalámbrica.
De forma alternativa, podrían alojarse en membranas celulares una serie de nanopartículas que transporten moléculas a determinados tipos de células, para que no sea necesario llevar a cabo una implantación quirúrgica. Las nanopartículas también podrían llevar moléculas que puedan detectar la actividad eléctrica, la presión o incluso ciertos productos químicos que revelen la actividad cerebral.
El uso de novedosas técnicas ópticas también podría ayudar al proyecto de mapeo. Cuando una neurona se activa, la cantidad de calcio en el interior de las células aumenta, por lo que muchos grupos de investigación utilizan adhesivos de tintes fluorescentes sensibles al calcio para estudiar la actividad neuronal. Sin embargo, esta medición se retira una vez de la actividad eléctrica real de la neurona. Una molécula fluorescente sensible al voltaje u otro agente de diagnóstico por imágenes podría proporcionar una visión más precisa de la actividad.
La biología sintética podría ser otra herramienta útil. Las enzimas que construyen las cadenas de ADN son sensibles a la concentración de iones e introducen más errores en su producción de ADN en presencia de calcio. Como tales, estas enzimas podrían ser utilizadas como sensores de actividad neuronal. Una secuencia de ADN predeterminada podría ser implantada en neuronas y, a medida que es copiada, la cadena resultante de ADN proporcionaría un registro de los patrones de errores correspondientes a los patrones de actividad neuronal. Más tarde, las hebras portadoras de errores de las diferentes neuronas podrían ser secuenciadas.
Diversos investigadores esbozaron un plan aproximado para el proyecto en una propuesta de 2012. La iniciativa probablemente comience con el desarrollo de mejores métodos de formación de imágenes a partir del calcio, con las que realizar el registro de la actividad neuronal, seguido por la formación de imágenes a partir del voltaje. Puesto que estos dos métodos quizá solo se centren en las estructuras superficiales (dado que la luz no puede viajar muy lejos dentro del tejido cerebral), el tercer paso podría ser el desarrollo de grandes conjuntos de nanosondas.
En los primeros cinco años, la iniciativa podría comenzar con pequeños circuitos, como todo el sistema nervioso del nematodo C. elegans (que solo tiene 302 neuronas y 7.000 conexiones) y circuitos discretos del cerebro de la mosca de la fruta. Los circuitos individuales en un sistema nervioso de ratón, tales como el del centro de la retina o el olfato, podrían abordarse dentro de 10 años, y dentro de 15 años los científicos quizá sean capaces de reconstruir la actividad neuronal de la neocorteza completa de un ratón.
Incluso sin explorar directamente el cerebro humano, las ideas resultantes podrían tener un profundo impacto en la neurociencia y la medicina. Para ello, todos los componentes de este próximo gran proyecto americano tendrían que salir según lo planeado.