La conectómica es la producción y el estudio de los conectomas, que son mapas exhaustivos de las conexiones dentro del sistema nervioso de un organismo. El estudio de los diagramas de cableado neuronal analiza cómo estos contribuyen a la salud y al comportamiento de un organismo. Existen dos tipos muy diferentes de conectomas: a microescala y a macroescala. La conectómica a microescala mapea cada neurona y sinapsis en un organismo o en un fragmento de tejido, utilizando típicamente microscopía electrónica e histología. Este nivel de detalle solo es posible para animales pequeños (moscas y gusanos) o porciones diminutas (de menos de 1 mm por lado) del cerebro de animales grandes. La conectómica a macroescala, por otro lado, se refiere al mapeo de grandes tractos de fibras y áreas funcionales de sustancia gris dentro de un cerebro mucho más grande (típicamente el humano), utilizando generalmente distintas formas de resonancia magnética (RM) para mapear la estructura y la función. Ambos campos se refieren a sus mapas simplemente como "conectomas".
La conectómica a macroescala se concentra principalmente en el sistema nervioso humano, una red formada por hasta miles de millones de conexiones y responsable de nuestros pensamientos, emociones, acciones, recuerdos, funcionamiento y disfunción. Dado que estas estructuras son físicamente grandes y los experimentos en humanos suelen ser no invasivos, los métodos habituales emplean datos de resonancia magnética funcional y estructural para medir el flujo sanguíneo (funcional) y la difusividad del agua (estructural). Los ejemplos incluyen el Proyecto Conectoma Humano y otros. La conectómica en este ámbito tiene como objetivo avanzar en nuestra comprensión de la salud mental y la cognición mediante el entendimiento de cómo las células del sistema nervioso se conectan y comunican.
En cambio, la conectómica a microescala analiza con mucho mayor detalle circuitos mucho más pequeños. En animales muy pequeños, como el gusano C. elegans o la mosca de la fruta Drosophila, se puede reconstruir todo el sistema nervioso. En los cerebros de mamíferos, que son mucho más grandes, los estudios examinan subregiones como la retina y la corteza. La conectómica a estas escalas busca explicaciones mecanicistas sobre cómo opera el sistema nervioso.
Métodos
Conectómica a macroescala Los conectomas a macroescala se recopilan comúnmente mediante imágenes por resonancia magnética ponderada por difusión (DW-MRI) e imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI). Los conjuntos de datos de DW-MRI pueden abarcar todo el cerebro, mapeando la sustancia blanca entre la corteza y la subcorteza, lo que proporciona información sobre la difusión de las moléculas de agua en el tejido cerebral y permite a los investigadores inferir la orientación y la integridad de las vías de sustancia blanca. La DW-MRI se puede utilizar junto con la tractografía, lo que permite la reconstrucción de los tractos de sustancia blanca en el cerebro. Esto se logra midiendo la difusión de las moléculas de agua en múltiples direcciones, ya que la DW-MRI puede estimar las orientaciones locales de las fibras y generar un modelo de las vías de fibras del cerebro. Mientras tanto, los algoritmos de tractografía trazan las trayectorias probables de estas vías, proporcionando una representación de la conectividad anatómica del cerebro. A partir de los datos de DW-MRI se pueden calcular métricas como la anisotropía fraccional (FA), la difusividad media (MD) o la fuerza de conectividad para evaluar las propiedades microestructurales de la sustancia blanca y cuantificar la fuerza de las conexiones (de largo alcance) entre regiones cerebrales. CCBY
A diferencia de la DW-MRI, la fMRI mide la señal dependiente del nivel de oxigenación de la sangre (BOLD), que refleja los cambios en el flujo sanguíneo cerebral y la oxigenación asociados con la actividad neuronal, según lo regulado por la unidad neurovascular. Cuando se utilizan juntas, un conjunto de datos de fMRI en estado de reposo y uno de DW-MRI ofrecen una visión integral de cómo las regiones del cerebro están conectadas estructuralmente y qué tan estrechamente se están comunicando. El análisis de la conectividad funcional en estado de reposo (RSFC) es un método común para medir conectomas mediante fMRI que implica la adquisición de datos de fMRI mientras el sujeto está en reposo y no realiza ninguna tarea o estímulo específico. La RSFC examina la correlación temporal de las señales BOLD entre diferentes regiones cerebrales (después de considerar el efecto de confusión de otras regiones), proporcionando información sobre la conectividad funcional.
Estimulación Las técnicas que manipulan activamente el cerebro, a menudo llamadas neuromodulación, pueden aportar información sobre el conectoma. Por ejemplo, la estimulación magnética transcraneal (TMS) es una técnica de neuromodulación no invasiva que aplica pulsos magnéticos intensos entre electrodos en el cuero cabelludo que se dirigen a regiones cerebrales específicas mediante corrientes eléctricas. Esto puede interrumpir o potenciar temporalmente la actividad de áreas cerebrales específicas y permitir la observación de cambios en la conectividad. La estimulación transcraneal con corriente directa (tDCS) es otra técnica de neuromodulación no invasiva que aplica una corriente eléctrica constante pero relativamente débil durante unos minutos, modulando la excitabilidad neuronal. Permite a los investigadores investigar la relación causal entre las regiones cerebrales objetivo y los cambios en la conectividad. La tDCS aumenta la conectividad funcional dentro del cerebro, con un sesgo hacia redes específicas (por ejemplo, el procesamiento cortical), e incluso puede causar cambios estructurales en la sustancia blanca a través de la mielinización y en la sustancia gris a través de la plasticidad sináptica. Otra técnica de neuromodulación es la estimulación cerebral profunda (DBS), una técnica invasiva que implica la implantación quirúrgica de electrodos en regiones cerebrales específicas con el fin de aplicar impulsos eléctricos localizados de alta frecuencia. Esta técnica modula las redes cerebrales y se utiliza a menudo para aliviar los síntomas motores de trastornos como el Parkinson, el temblor esencial y la distonía. La conectividad funcional y estructural entre los electrodos se puede utilizar para predecir los resultados de los pacientes y estimar perfiles de conectividad óptimos.
Métodos electrofisiológicos Los métodos electrofisiológicos miden la diferencia de señales de distintas partes del cerebro para estimar la conectividad entre ellas, un proceso que requiere una relación señal-ruido baja para mantener la precisión de las mediciones y una resolución espacial suficiente para respaldar la conectividad entre regiones específicas del cerebro. Estos métodos ofrecen información sobre la dinámica neuronal en tiempo real y la conectividad funcional entre regiones cerebrales. La electroencefalografía (EEG) mide las diferencias en el potencial eléctrico generado por corrientes oscilantes en la superficie del cuero cabelludo, debido a la colocación externa y no invasiva de los electrodos. Por su parte, la magnetoencefalografía (MEG) se basa en los campos magnéticos generados por la actividad eléctrica del cerebro para recopilar información.
Conectómica a microescala Los conectomas a microescala se centran en resolver la conectividad individual de célula a célula dentro de volúmenes mucho más pequeños de tejido del sistema nervioso. El método más común para la reconstrucción de circuitos neuronales es la preservación química del cerebro seguida de microscopía electrónica en 3D, lo que ofrece una resolución a nivel de sinapsis individual. El primer conectoma a microescala que abarcó un sistema nervioso completo se produjo para el nematodo C. elegans en 1986. Esto se realizó anotando manualmente las impresiones de los escaneos de microscopía electrónica (EM). Desde entonces, los avances en la adquisición de EM, la alineación y segmentación de imágenes, y la manipulación de grandes conjuntos de datos han permitido obtener imágenes y segmentar volúmenes más grandes con mayor facilidad. La EM se ha utilizado para producir conectomas a partir de una variedad de muestras del sistema nervioso, incluidos conjuntos de datos disponibles públicamente que abarcan el cuerpo completo de una larva de Platynereis dumerilii, el cerebro entero y el cordón nervioso ventral de la Drosophila melanogaster adulta, el sistema nervioso central completo (cerebro y cordón nervioso ventral conectados) de la larva de Drosophila melanogaster, y volúmenes de la corteza de ratón y humana. Los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de EE. UU. han invertido ahora en la creación de un conectoma por EM del cerebro completo de un ratón. La EM se puede combinar con fluorescencia en microscopía correlativa, la cual puede generar datos más interpretables al ser capaz de detectar automáticamente tipos de neuronas específicos y rastrearlas en su totalidad mediante marcadores fluorescentes.
Otras modalidades de imagen se están aproximando a la resolución de escala nanométrica necesaria para la conectómica a microescala. La nanotomografía de rayos X que utiliza una fuente de sincrotrón puede alcanzar ahora una resolución inferior a 100 nm, y teóricamente puede seguir mejorando. A diferencia de la EM, esta técnica no requiere que el tejido fotografiado se tiña con metales pesados o se corte físicamente. La microscopía óptica convencional está limitada por la difracción de la luz. Recientemente, investigadores han utilizado microscopía de agotamiento por emisión estimulada (STED), una técnica de microscopía óptica de superresolución, para obtener imágenes del espacio extracelular de organoides cerebrales humanos vivos y cultivos de cortes de hipocampo de ratón, lo que permite la reconstrucción de todas las neuritas dentro de este volumen mediante la implementación de un enfoque de aprendizaje automático de dos etapas. Combinaron esto con marcadores sinápticos etiquetados con fluorescencia para encontrar la conectividad sináptica en la muestra, así como con imágenes de calcio para monitorear la actividad neuronal. Sin embargo, este enfoque de imágenes en vivo estuvo limitado a una resolución de ~130 nm, por lo que no fue capaz de reconstruir con fiabilidad axones delgados a lo largo de grandes distancias. En 2024, una nueva técnica llamada LICONN combinó la expansión de hidrogel con microscopía óptica (en lugar de microscopía electrónica) para generar conectomas a nivel neuronal. Entre las ventajas potenciales se incluyen equipos más baratos (microscopios ópticos frente a microscopios electrónicos), una adquisición de datos más rápida y etiquetado multicolor.
Software Además de las técnicas avanzadas de microscopía, la conectómica depende en gran medida de herramientas de análisis de software y secuencias de procesamiento (pipelines) de aprendizaje automático para la reconstrucción y el análisis de redes neuronales. Estas herramientas están diseñadas para procesar e interpretar las vastas cantidades de datos generados por la microscopía electrónica de volumen y otros métodos de imagen. Los pasos clave en la reconstrucción conectómica incluyen la segmentación de imágenes, donde se identifican y anotan las neuronas individuales y sus componentes, y el mapeo de redes, donde se establecen las conexiones entre estas neuronas.