Un nuevo completo, alto

Por Instituto Allen 7 de mayo de 2020

El Marco de coordenadas comunes del cerebro del ratón de Allen (CCFv3), un atlas de referencia en 3D, se basa en un promedio de la fluorescencia inherente en los cerebros de ratones fotografiados mediante tomografía de dos fotones en serie. La imagen muestra una vista de arriba hacia abajo semitransparente de la plantilla promedio, que revela muchas características anatómicas sorprendentes. Crédito: Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro

El atlas de referencia, que lleva años en desarrollo, ofrece un terreno común para poner en contexto los hallazgos de la neurociencia.

Después de tres años de recopilación intensiva de datos y dibujo cuidadoso, el trabajo de los cartógrafos estaba completo.

El terreno complejo que trazaron, con todos sus picos, valles y fronteras, mide solo media pulgada de largo y pesa menos que una gominola: el cerebro del ratón de laboratorio.

En un artículo publicado hoy (7 de mayo de 2020) en la revista Cell, los cartógrafos del Instituto Allen describen esta hazaña cartográfica: la tercera iteración del Marco de coordenadas comunes del cerebro del ratón Allen, o CCFv3, un atlas 3D completo y de alta resolución del cerebro de ratón

El marco está destinado a ser un punto de referencia para la comunidad de neurociencias, dijeron sus creadores. Los ratones son ampliamente utilizados en la investigación biomédica. Sus cerebros contienen aproximadamente 100 millones de células cada una en cientos de regiones diferentes. A medida que los conjuntos de datos de neurociencia crecen y se vuelven más complejos, un mapa espacial común del cerebro se vuelve más crítico, al igual que la capacidad de registrar conjuntamente muchos tipos diferentes de datos en un espacio 3D común para comparar y correlacionar.

Think of it as the neuroscience equivalent of your phone's GPSGPS, or Global Positioning System, is a satellite-based navigation system that provides location and time information anywhere on or near the Earth's surface. It consists of a network of satellites, ground control stations, and GPS receivers, which are found in a variety of devices such as smartphones, cars, and aircraft. GPS is used for a wide range of applications including navigation, mapping, tracking, and timing, and has an accuracy of about 3 meters (10 feet) in most conditions." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> GPS. En lugar de buscar manualmente tu ubicación en un mapa de papel basado en lo que ves a tu alrededor, el GPS (y el nuevo atlas cerebral) te dice dónde estás. Con conjuntos de datos de miles o millones de diferentes piezas de información, ese conjunto común de coordenadas, y la identificación de los puntos de referencia cerebrales correspondientes para esas coordenadas, es crucial.

"En los viejos tiempos, la gente definía las diferentes regiones del cerebro a simple vista. A medida que obtenemos más y más datos, esa selección manual ya no se escala", dijo Lydia Ng, Ph.D., directora sénior de tecnología de la Allen Institute for Brain Science, una división del Allen Institute, y uno de los autores principales del artículo del atlas junto con Julie Harris, Ph.D., directora asociada de neuroanatomía en el Allen Institute for Brain Science. "Así como tenemos una secuencia genómica de referencia, se necesita una anatomía de referencia".

El CCFv3 de todo el cerebro se basa en una versión parcial lanzada en 2016 que mapeó toda la corteza del ratón, la capa más externa del cerebro. Las versiones anteriores del atlas eran mapas 3D de menor resolución, mientras que la resolución de CCFv3 es lo suficientemente fina como para identificar las ubicaciones de las celdas individuales. El último atlas del cerebro completo ha estado disponible abiertamente para la comunidad desde finales de 2017, y varios equipos de neurociencia diferentes ya lo han puesto en práctica.

Una vista en ángulo del Marco de coordenadas comunes del cerebro del ratón Allen (CCFv3) en 3D, un atlas de referencia de alta resolución dividido en distintas regiones del cerebro utilizando múltiples tipos de datos. Crédito: Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro

Nick Steinmetz, Ph.D., an Assistant Professor at the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> La Universidad de Washington y un líder de la próxima generación del Instituto Allen para la ciencia del cerebro utilizaron el atlas en un estudio reciente que analizó la actividad de las neuronas cuando los ratones eligen entre diferentes imágenes que ven en una prueba de laboratorio. El estudio utilizó Neuropixels, pequeñas sondas eléctricas que pueden capturar la actividad de cientos de neuronas a la vez en varias regiones cerebrales diferentes.

A medida que analizaban sus datos, quedó claro que más partes del cerebro estaban involucradas en esta elección visual de lo que creían anteriormente, dijo Steinmetz. Tendrían que tener una visión general, y el CCFv3 les ayudó a ver todos sus resultados juntos.

"El atlas fue un recurso realmente necesario que permitió la idea misma de hacer estudios a nivel de todo el cerebro", dijo Steinmetz. "Cuando estás grabando desde cientos de sitios en todo el cerebro, eso introduce una nueva escala de investigación. Tienes que tener una visión más amplia de dónde están todos los sitios de grabación, y el CCF es lo que lo hizo posible".

Para hacer el atlas, los investigadores dividieron el cerebro en pequeños bloques virtuales en 3D, conocidos como vóxeles, y asignaron a cada bloque una coordenada única. Los datos que alimentaron esa construcción 3D provinieron de la anatomía cerebral promedio de casi 1700 animales diferentes. Luego, el equipo asignó cada uno de esos vóxeles a una de las cientos de diferentes regiones conocidas del cerebro del ratón, dibujando bordes cuidadosos entre áreas distintas. Los conjuntos de datos que alimentaron estos dos aspectos del atlas provienen de varios tipos diferentes de experimentos realizados en el Instituto Allen durante los últimos años: la columna vertebral del atlas de diferentes tipos de datos lo hace único entre los atlas cerebrales de referencia, dijeron los investigadores.

Históricamente, los atlas cerebrales se dibujaban en 2D, tomando vistas en forma de hoja del cerebro a diferentes profundidades y alineándolas. Para algunos tipos de datos, esta forma de mapeo cerebral funciona bien. Pero para los estudios de neurociencia moderna que analizan la actividad de las neuronas o las características de las células en todo el cerebro, un atlas 3D brinda un mejor contexto.

The researchers said future iterations of the atlas will likely rely on machine learningMachine learning is a subset of artificial intelligence (AI) that deals with the development of algorithms and statistical models that enable computers to learn from data and make predictions or decisions without being explicitly programmed to do so. Machine learning is used to identify patterns in data, classify data into different categories, or make predictions about future events. It can be categorized into three main types of learning: supervised, unsupervised and reinforcement learning." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">aprendizaje automático u otras formas de automatización, en lugar de la laboriosa selección manual que se incluyó en la versión actual.

"Como sabemos ahora, los atlas deberían ser recursos evolutivos y vivos, porque a medida que aprendamos más sobre cómo está organizado el cerebro, tendremos que hacer actualizaciones", dijo Harris. "La construcción de atlas de forma automática e imparcial es donde probablemente se está moviendo el campo".

Referencia: "El marco de coordenadas comunes del cerebro del ratón Allen: un atlas de referencia en 3D" por Quanxin Wang, Song-Lin Ding, Yang Li, Josh Royall, David Feng, Phil Lesnar, Nile Graddis, Maitham Naeemi, Benjamin Facer, Anh Ho, Tim Dolbeare, Brandon Blanchard, Nick Dee, Wayne Wakeman, Karla E. Hirokawa, Aaron Szafer, Susan M. Sunkin, Seung Wook Oh, Amy Bernard, John W. Phillips, Michael Hawrylycz, Christof Koch, Hongkui Zeng, Julie A. Harris y Lydia Ng, 7 de mayo de 2020, Celular.DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.007