Notícies Notícies

Vés enrere

Cap a una millor comprensió de l'arquitectura cel·lular del cervell humà

Cap a una millor comprensió de l'arquitectura cel·lular del cervell humà

Segons un estudi publicat el 9 de gener a la revista Science Advances. La recerca ha estat liderada per la Universitat Nacional de Singapur i ha comptat amb la participació de Gustavo Deco, professor d'investigació ICREA i director del Centre de Cognició i Cervell de la UPF.

11.01.2019

Un equip d'investigació interdisciplinari dirigit per científics de la Universitat Nacional de Singapur (NUS, per les sigles en anglès) ha emprat amb èxit l'aprenentatge automàtic per descobrir nous coneixements sobre l'arquitectura cel·lular del cervell humà.

L'equip va demostrar un enfocament que calcula automàticament els paràmetres del cervell utilitzant les dades recopilades de la ressonància magnètica funcional (fMRI), la qual cosa permet als neurocientífics inferir les propietats cel·lulars de diferents regions del cervell sense necessitat d'emprar abordatges quirúrgics. Aquest enfocament es podria utilitzar potencialment en l'avaluació del tractament de trastorns neurològics i en el desenvolupament de noves teràpies.

El treball s'ha publicat el 9 de gener a la revista Science Advances i ha comptat amb la col·laboració de Gustavo Deco, professor d'investigació ICREA i director del Centre de Cognició i Cervell CBC del Departament de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions DTIC de la Universitat Pompeu Fabra.

"Aquest treball significa un salt quàntic en tant que incorporem heterogeneïtat també en la dinàmica local de cada node, és a dir els optimitzem per tal d'obtenir un model biofísic i fisiològic molt més fidedigne i realista"

Segons ha explicat el professor Gustavo Deco: "Fins ara, en general, els models de tot el cervell estaven limitats pel fet que la dinàmica local de cada node o regió cerebral era idèntica, és a dir homogènia. D'aquesta manera, a través de l'heterogeneïtat de l'anatomia extreta a través de tècniques de Diffusion Tensor Imaging  (DTI) i tractografia, s'aconseguien explicar moltíssims aspectes interessants de la dinàmica funcional del cervell ". "No obstant això, en aquest nou treball realitzem un salt quàntic en tant que incorporem heterogeneïtat també en la dinàmica local de cada node, és a dir els optimitzem per tal d'obtenir un model biofísic i fisiològic molt més fidedigne i realista", afegeix Deco, coautor de l'estudi.

Al seu torn, el professor Thomas Yeo, investigador de l'Institut de neurotecnologia de la Universitat Nacional de Singapur i líder de l'equip d'investigació, ha comentat: "Les vies subjacents de moltes malalties ocorren a nivell cel·lular, i molts productes farmacèutics operen a nivell de microescala. Per saber què passa realment en els nivells més interns del cervell humà, és crucial per a nosaltres desenvolupar mètodes que puguin incidir en les profunditats del cervell de forma no invasiva ".

Desentranyant la complexitat del cervell humà

El cervell és l'òrgan més intricat del cos humà , i està compost per 100 mil milions de cèl·lules nervioses que, al seu torn, estan connectades a altres 1.000. Qualsevol dany o malaltia que afecti fins i tot a la part més petita del cervell podria provocar un deteriorament greu.

Actualment, la majoria dels estudis sobre el cervell humà es limiten a enfocaments no invasius, com la ressonància magnètica (MRI). Això limita l'examen del cervell humà a nivell cel·lular, que pot oferir nous coneixements sobre el desenvolupament i el tractament potencial de diverses malalties neurològiques.

Diferents equips de investigació de tot el món han aprofitat els models biofísics per tancar aquesta bretxa entre la imatge no invasiva i la comprensió cel·lular del cervell humà. Els models biofísics del cervell podrien usar-se per simular l'activitat cerebral, permetent als neurocientífics obtenir una visió del cervell. No obstant això, molts d'aquests models es basen en suposicions massa simplistes, com, per exemple, totes les regions del cervell tenen les mateixes propietats cel·lulars, que els científics saben que són falses des de fa més de cent anys.

Construint models virtuals de cervell

Els respectius equips de recerca de han participat en aquest estudi analitzat imatges de 452 participants en el Projecte Conectoma Humà. Partint del treball de modelatge computacional realitzat amb anterioritat, van permetre a cada regió del cervell tenir propietats cel·lulars diferents i algorismes d'aprenentatge automàtic explotats per estimar automàticament els paràmetres del model.

"El nostre enfocament s'aconsegueix un millor ajust amb les dades reals. A més, vam descobrir que els paràmetres del model de microescala estimats per l'algorisme d'aprenentatge automàtic reflecteixen com el cervell processa la informació", han manifestat els autors de l'estudi.

Aquesta forma de processament jeràrquic és una característica clau tant del cervell humà com dels avenços recents en intel·ligència artificial

L'equip d'investigació va descobrir que les regions del cervell involucrades en la percepció sensorial, com la visió, l'audició i el tacte, exhibeixen propietats cel·lulars oposades a les regions del cervell involucrades en el pensament i els records interns. El patró espacial de l'arquitectura cel·lular del cervell humà reflecteix de prop com el cervell processa jeràrquicament la informació de l'entorn. Aquesta forma de processament jeràrquic és una característica clau tant del cervell humà com dels avenços recents en intel·ligència artificial.

"El nostre estudi suggereix que la jerarquia de processament del cervell es recolza en la diferenciació de microescala entre les seves regions, el que pot proporcionar més pistes sobre els avenços en intel·ligència artificial", afegeixen.

En un futur tenen previst estendre el seu enfocament metodològic per examinar les dades cerebrals dels participants de forma individual i comprendre millor com la variació individual en l'arquitectura cel·lular del cervell pot relacionar-se amb les diferències en les capacitats cognitives. L'equip espera que aquests últims resultats puguin ser un pas cap al desenvolupament de plans de tractament individualitzats amb medicaments específics o estratègies d'estimulació cerebral.

Treball de referència:

Peng Wang, Ru Kong, Xiaolu Kong, Raphaël Liégeois, Csaba Orban, Gustavo Deco, Martijn P. van den Heuvel, BT Thomas Yeo (2019),"Inversion of a large-scale circuit model reveals a cortical hierarchy in the dynamic resting human brain", 9 de gener, volum 5, núm. 1, eaat7854, DOI: 10.1126 / sciadv.aat7854.

 

Categories:

Per a més informació

Notícia publicada per:

Unitat de Comunicació i Projecció Institucionals

93 542 21 00

[email protected]

Para más información

Noticia publicada por:

Unidad de Comunicación y Proyección Institucionales

93 542 21 00

[email protected]

For more information

News published by:

Institutional Communication and Promotion Unit

93 542 21 00

[email protected]


Destaquem Destaquem

ETIC

Xifres

891 Estudiants de grau
276 Estudiants de Postgrau
60 % internacionalització dels estudiants de postgrau
15 ERC grants
13 Investigadors ICREA
250 Personal d'administració i suport a la recerca
66 % internacionalització del personal