El conectoma es al cerebro lo que el genoma al código genético. Se trata de determinar, a distintas escalas, todas las conexiones que existen entre las neuronas y por tanto, a mayor escala, entre las zonas cerebrales. Hoy en día, la idea de un cerebro que se compone de zonas, cuyas funciones están determinadas de forma discreta, es cada vez menos aceptada. Actualmente, sabemos de la existencia de una serie de redes funcionales, con centros de gran densidad de conexiones donde se procesa la información y se ponen en marcha las funciones concretas. En esta noción, el conectoma juega un rol fundamental. Veamos entonces a qué nos referimos cuando hablamos de conectoma: mapeando el cerebro.

Mapeando el cerebro: ¿Qué es el conectoma?

El doctor Jeff Lichtman (2015) lo define como el proyecto de mapeado del cerebro a nivel de sus sinapsis.

Imagen obtenida de Kasthuri et al. (2015)

En otras palabras, describir todas y cada una de las ramificaciones de las neuronas y cómo estas se comunican entre sí.

Esto permite saber cuántas conexiones tiene cada neurona y con cuántas otras neuronas se comunica (Kasthuri et al., 2015).

Sería, por tanto, una descripción minuciosa y detallada de todas las sinapsis dentro del cerebro. Es decir, aproximadamente, 86 mil millones de neuronas. Sin duda, plantea un reto titánico que podría extenderse por generaciones.

Sin embargo, existen distintos niveles de estudio del conectoma y las interconexiones neurales. Como explica la doctora Nim Tottenham, se puede establecer la conectividad entre las estructuras cerebrales siguiendo los tractos de materia blanca que las unen.

Y, como resultado, esto permite establecer las relaciones funcionales entre las estructuras cerebrales y determinar sus funciones.

El conectoma y la teoría de grafos

La teoría de grafos, es un método matemático para describir sistemas complejos mediante mapas de nodos y aristas, los “grafos”.

Un grafo se compone de una serie de nodos interconectados por rectas. Y, un nodo es un gran centro de información o recursos que se transmite a través de las rectas que los unen.

De esta forma, las zonas cerebrales asociadas a una determinada función, no son más que un gran nodo de conexiones en una red (Bullmore y Bassett, 2011). Por lo que, consideraríamos como un grafo a las conexiones entre las zonas cerebrales y subgrafos a las conexiones de lo interno de cada zona.

De esta idea se desprende el hecho de que, cuando hay afectaciones localizadas en regiones responsables de una determinada función, dicha función se ve impactada.

Y, por consiguiente, esta atrofia de la función responde, según el razonamiento, a que la zona afectada era una zona de alta densidad de conectividad en la red responsable de tal función. A estas áreas de gran concentración de conexiones se les llama “hubs”.

Lo que quiere decir que, si se interrumpe el flujo de información que recorre una red cerebral, las funciones asociadas a esta red sufrirán un mal funcionamiento. Esto con mejor o peor fortuna si la afectación anatómica se produce en una zona hub o no.

Mapeando el cerebro: Redes funcionales

Existen dos tipos de redes, las estructurales y las funcionales. En primer lugar, las redes estructurales son la disposición de las conexiones entre estructuras cerebrales. Y, en segundo lugar, las redes funcionales vienen determinadas por las interacciones de actividad que existen entre las distintas zonas.

Ahora, conocemos, desde hace bastante tiempo, la existencia de ciertas redes funcionales. Por ejemplo, las redes como la somato-motora, la visual, la auditiva, las redes de atención dorsal y ventral y las redes de la memoria. La mayoría de ellas relacionadas con el procesamiento de información perceptiva.

Red de modo por defecto en rojo, red de alerta en azul y red del ejecutivo central en verde. Imagen obtenida de Goulden et al. (2014)

Tres ejemplos de redes funcionales pueden ser:

  • Red de modo por defecto o de descanso. Esta red tiene su pico de actividad durante el reposo en la vigilia, mientras estamos en un estado en el que no nos enfrentamos a la resolución de ningún problema que requiera de recursos cognitivos. Así pues, se ha relacionado con el pensamiento autoreferencial e introspectivo. Dicha red comprende la corteza cingulada posterior, corteza parietal posterior y el córtex prefrontal ventromedial.
  • Red del ejecutivo central. La red del ejecutivo central está relacionada con las tareas de alta demanda cognitiva y atencional, planificación y resolución de problemas. Comprende la corteza prefrontal dorsolateral y corteza parietal posterior.
  • Red de alerta. Responde a los distintos estímulos internos o externos provocando reacciones en cadena como respuesta. La red de alerta abarca el córtex prefrontal ventrolateral, ínsula anterior y la corteza cingulada anterior (Goulden et al., 2014).

El conectoma y las patologías

Retomando el razonamiento de las afectaciones en los hubs, también podría producirse el caso en el que no haya hubs afectados pero la conectividad entre las zonas que componen una red se vea dañada.

Conectoma - Patologías - NeuroClass
Tractografía de la sustancia blanca. Imagen obtenida de la app NeuroNavigator. Desarrollada por Imeka (2011).

Esto también daría lugar a alteraciones en las funciones normales, pudiendo derivar en trastornos psicológicos o psiquiátricos.

Korgaonkar et al. (2019), realizaron un estudio de resonancia magnética funcional.

El resultado fue una reducción en la conectividad en las redes del ejecutivo central, red de atención dorsal, auditiva y sensorio-motriz.

Asimismo, lograron observar un aumento en la conectividad en la red del modo por defecto en pacientes con trastorno bipolar cuando fueron comparados con controles sanos.

Conclusión

Ya contamos con un conocimiento relativamente amplio del funcionamiento de las redes funcionales en nuestros cerebros.

¿Mapeando el cerebro? Sí, gracias a técnicas como la resonancia magnética funcional, magneto-encefalografía, tractografía o anisotropía fraccional. Sin embargo, hay que hacer hincapié en el “relativamente” puesto que lo que sabemos de las redes funcionales, es todavía una ínfima parte de lo que hay por descubrir.

Teniendo en cuenta que en 600 micrómetros cúbicos, del cerebro de una rata, hay 600 axones, 40 dendritas y 1500 sinapsis (Kasthuri et, al. 2015).

Y, además, considerando que un cerebro humano tiene en promedio unos 1130 centímetros cúbicos (11,300,000 micrómetros cúbicos) y 86 mil millones de neuronas. Es decir, que hay al rededor de 28 millones trescientas mil veces más axones, dendritas y sinapsis, que en el cerebro de una rata de laboratorio.

En otras palabras, el cerebro humano posee trillones de sinapsis, lo cual representa una labor casi inabarcable para investigar. No obstante, el conectoma nos permitirá tener una perspectiva muy distinta sobre el funcionamiento de nuestro cerebro y las enfermedades que lo afectan.

Referencias bibliográficas

  • Bullmore, E. T. y Bassett, D. S. (2011). Brain Graphs: Graphical Models of the Human Brain Connectome. Annual Review of Clinical Psychology, 7(1), 113-140. Doi: 10.1146/annurev-clinpsy-040510-143934
  • Goulden, N., Khusnulina, A., Davis, N. J., Bracewell, R. M., Bokde, A. L., McNulty, J. P. y Mullins, P. G. (2014). The salience network is responsible for switching between the default mode network and the central executive network: Replication from DCM. NeuroImage, 99, 180-190. Doi: 10.1016/j.neuroimage.2014.05.052
  • Kasthuri, N., Hayworth, K. J., Berger, D. R., Schalek, R. L., Conchello, J. A., Knowles-Barley, S., Lee, D., Vázquez-Reina, A., Kaynig, V., Jones, T. R., Roberts, M., Morgan, J. L., Tapia, J. C., Seung, H. S., Roncal, W. G., Vogelstein, J. T., Burns, R., Sussman, D. L., Priebe, C. E. y Lichtman, J. W. (2015). Saturated Reconstruction of a Volume of Neocortex. Cell, 162(3), 648-661. Doi: 10.1016/j.cell.2015.06.054
  • Korgaonkar, M., Chakouch, C., Erlinger, M., Breukelaar, I., Boyce, P., Hazell, P., Williams, L., Malhi, G. S. y Harris, A. (2019). F117. Intrinsic Brain Functional Connectomes in Bipolar Disorder. Biological Psychiatry, 85(10), 258-259. Doi: 10.1176/appi.ajp.2017.17010095.