Nuestros cerebros son copos de nieve únicos que cambian de forma a lo largo de nuestra vida. Sin embargo, bajo las diferencias individuales hay una línea común: el cerebro crece rápidamente durante la infancia y luego disminuye lentamente con la edad.

Pero eso es sólo un boceto de la vida de un cerebro medio. ¿Qué nos falta?

Un equipo de científicos internacionales acaba de darnos las primeras respuestas con un proyecto extraordinario llamado BrainChart. En un tour de force estudio publicado la semana pasada en Naturaleza , combinaron casi 125.000 escáneres cerebrales que abarcan toda la vida humana, desde antes del nacimiento hasta la muerte. La muestra más joven tenía 15 semanas después de la concepción; la más vieja, un centenario.

En conjunto, los datos pintaron una imagen animada del recorrido del cerebro a lo largo de la vida humana. Con un nivel de detalle sin precedentes, se captó cómo el cerebro «medio» crece, madura y declina con la edad, y se comparó el proceso medio con el de las personas afectadas por enfermedades como el Alzheimer. Y lo que es aún más impresionante, el estudio abarcaba -en lugar de suavizar- las diferencias individuales. En lugar de una sola línea nítida que describa la trayectoria de crecimiento del cerebro, los resultados se parecen más a múltiples bocetos en la misma dirección, cada uno de ellos único, pero que juntos forman un boceto detallado de los aspectos más destacados del desarrollo cerebral.

«Una de las cosas que hemos podido hacer, gracias a un esfuerzo global muy concertado, es reunir datos a lo largo de toda la vida. Esto nos ha permitido medir los rápidos y tempranos cambios que se producen en el cerebro y el lento y prolongado declive a medida que envejecemos», afirma el Dr. Richard Bethlehem, de la Universidad de Cambridge, que codirige el estudio.

Por el momento, los gráficos se utilizan principalmente para la investigación, de modo que los equipos individuales pueden indagar en el tesoro para descubrir cambios mínimos a cualquier edad, por ejemplo, en busca de señales de advertencia de autismo, demencia u otros problemas neurológicos. Los gráficos ya cuentan con 165 etiquetas de diagnóstico diferentes como primer paso para guiar a los científicos.

Even at this massive scale, the charts are just the first edition. The entire work is open sourced ( puede comprobarlo aquí ), publicado con herramientas que permiten a otros contribuyentes cotejar los datos de sus escáneres cerebrales con los gráficos.

«Podríamos imaginar que se utilizaran para ayudar a evaluar a pacientes sometidos a pruebas de detección de enfermedades como el Alzheimer, por ejemplo, permitiendo a los médicos detectar signos de neurodegeneración comparando la rapidez con la que ha cambiado el volumen cerebral de un paciente en comparación con sus compañeros», afirma Bethlehem.

Una tabla de crecimiento para el cerebro

La mayoría de nosotros lo recordamos: estar de pie con la espalda contra la pared mientras un padre marcaba nuestra altura.

Es una forma clásica, aunque poco tecnológica, de seguir el crecimiento de un niño. A finales del siglo XVIII, las líneas de crecimiento individuales se consolidaron en tablas de crecimiento como medida estándar de la trayectoria de desarrollo de un niño, con el peso, la altura y el perímetro cefálico como medidas clave.

La tecnología ha avanzado mucho. Olvídese de rodear la cabeza con una cinta métrica. Ahora disponemos de potentes escáneres de resonancia magnética para observar directamente la arquitectura del cerebro. Mapas del cerebro son ahora una moneda de diez centavos por docena , de los mapas que enlazan la expresión de los genes a la estructura del cerebro , a nanoescala reconstrucciones que podría ayudar a impulsar la IA hacia cálculos más parecidos a los del cerebro.

Lo que falta es una tabla de crecimiento de la anatomía del cerebro que abarque toda nuestra vida.

Partnering up with Dr. Jakob Seidlitz at the University of Pennsylvania, the dynamic duo decided to pursue a nearly impossible project: BrainChart, a standardized open-source database of MRI brain scans across 100 years of our lifespan. Similar to a growth chart, BrainChart will serve as a reference to tackle disorders in brain development and aging.

«Esto debería permitir al neurólogo responder a la pregunta «esta zona parece atípica, pero ¿en qué medida?», explicó Bethlehem.

El cerebro se une a los superordenadores

Las exploraciones cerebrales son complicadas. Cualquier cerebro puede tener un aspecto ligeramente diferente según el hardware del escáner, el software de procesamiento y una docena de otros factores que hacen que cada imagen sea única. ¿Traducción? Es una pesadilla fusionarlas, especialmente cuando se trata de cientos de miles de imágenes. Es como tratar de juntar con photoshop fotos similares, pero cada una de ellas fue tomada con una cámara, ajustes de exposición, condiciones de iluminación y resolución diferentes. ¿Qué son datos reales y qué es ruido?

The team first tapped into a software framework recommended by the World Health Organization (WHO) called GAMLSS. The framework helps guide data that aren’t linear—that is, data doesn’t always change the same with time, which is perfect for the brain’s growth trajectory.

Luego viene la complicada tarea de consolidar los escaneos cerebrales. A partir de un centenar de estudios, el equipo ha asignado los datos de la resonancia magnética a cuatro puntos de referencia principales en el cerebro. Algunos son clásicos, como el volumen total de materia gris -el cuerpo de las neuronas que tiene un tono gris más oscuro en las resonancias magnéticas- y la materia blanca, sus ramas en forma de sauce. Al igual que una aplicación que utiliza los rasgos faciales para mezclar rostros muy diferentes, estos puntos de referencia ayudaron al equipo a estandarizar todos los datos.

Se necesitó una cantidad asombrosa de potencia de supercomputación, aproximadamente dos millones de horas de cálculo. «Esto no habría sido posible sin el acceso a los clusters de computación de alto rendimiento de Cambridge», dijo Seidlitz.

Enseguida aparecieron algunas tendencias sorprendentes. La cantidad de materia gris en el cerebro se disparó en volumen hasta que las personas tenían aproximadamente seis años, momento en el que empezó a descender de forma «casi lineal». Según los autores, este pico se produce más de tres años después de lo observado anteriormente en estudios más pequeños. La materia gris en las partes más profundas del cerebro, centros de la memoria y las emociones, se expandió hasta aproximadamente los 15 años antes de disminuir.

En cambio, el volumen de materia blanca -las ramificaciones que forman las redes neuronales- alcanzó su punto máximo cuando las personas tenían más de 20 años, con un descenso precipitado a los 50. Al profundizar en la investigación, el equipo descubrió un cambio brusco en la cantidad de materia gris en comparación con la materia blanca que tiene un cerebro entre el primer mes de nacimiento y los tres años aproximadamente. Se trata de un punto de inflexión que estudios anteriores no habían encontrado, según el equipo.

¿Salir a las Clínicas?

Una vez establecido un cerebro sano de referencia a lo largo de la vida, el equipo mapeó los escáneres cerebrales de personas con trastornos cerebrales. A cada coincidencia se le dio una puntuación para mostrar lo cerca que estaban de los gráficos, y una puntuación más alta significaba una mayor desviación de la trayectoria típica de desarrollo y envejecimiento del cerebro.

En general, la enfermedad de Alzheimer mostró la mayor diferencia. No es de extrañar: en las últimas fases, el trastorno carcome las neuronas de las partes del cerebro que controlan la memoria. La diferencia era especialmente prominente en el volumen de materia gris en los pacientes femeninos. Otros grupos que se desviaron fueron la esquizofrenia y los trastornos del estado de ánimo y la ansiedad.

Las coincidencias fueron muy fiables. En todas las etapas de la vida, la puntuación se mantuvo más alta en las personas con trastornos cerebrales «independientemente de la categoría de diagnóstico», dijo el equipo.

Esto no quiere decir que BrainChart esté listo para su uso clínico. Incluso con las tablas de crecimiento tradicionales, explican los autores, hay que tener en cuenta importantes salvedades y matices cuando se trata de un niño concreto. Con la complejidad del cerebro, el tamaño no siempre se correlaciona necesariamente con la función, y «se requerirá una considerable investigación adicional para validar la utilidad diagnóstica clínica de las tablas cerebrales».

Al publicar el conjunto de datos con el software correspondiente en línea, el equipo espera seguir desarrollando el proyecto. Por el momento, los datos proceden de personas de origen europeo, lo que a menudo hace que se pierdan de vista otras partes del mundo.

«Es una primera pasada para establecer una tabla de referencia estandarizada para la neuroimagen. Por eso hemos construido el sitio web y creado una amplia red de colaboradores. Esperamos actualizar sistemáticamente los gráficos y desarrollar estos modelos a medida que se disponga de nuevos datos», afirma Seidlitz.

Crédito de la imagen: christitzeimaging.com / Shutterstock.com