La corteza cerebral, la tortuosa "materia gris" que representa el 80% del cerebro humano, es responsable de nuestra capacidad de recordar, pensar, reflexionar, ser empáticos, comunicarse, adaptarse a nuevas situaciones y planificar el futuro. Apareció por primera vez en mamíferos, y fundamentalmente tiene una estructura simple y repetitiva que es parecida en todas las especies de mamíferos.

El cerebro está poblado de miles de millones de neuronas, cada una interconectada a miles de dendritas y axones, una especie de "cableado" biológico. El cerebro procesa información mediante el envío de señales eléctricas de neurona a neurona a lo largo de estos cables. En la corteza, las neuronas están organizadas en unidades funcionales básicas, volúmenes cilíndricos de 0.5 mm de ancho por 2 mm de alto, cada una con alrededor de 10.000 neuronas que se conectan de forma intrincada pero coherente. Estas unidades funcionan de manera similar a los microcircuitos de un computador. Este microprocesador, conocido como columna neocortical, se repite millones de veces en toda la corteza. La diferencia entre el cerebro de un ratón y el cerebro de un ser humano es básicamente el volumen - los seres humanos tienen muchas más columnas neocorticales y, por tanto neuronas, que los ratones.

En julio de 2005, EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausanne, Suiza) e IBM anunciaron una nueva y excitante iniciativa de investigación - un proyecto para crear un modelo funcional biológicamente exacto del cerebro, usando la supercomputadora BlueGene de IBM. Análogo en su alcance al Proyecto Genoma, Blue Brain proporcionará un gran salto en nuestra comprensión de la función cerebral y sus disfunciones, y nos ayudará a explorar soluciones a problemas insolubles en la salud mental y neurológica.

A finales de 2006, el proyecto creó un modelo básico para columna neocortical. Al pulsar un botón, el modelo puede reconstruir precisamente las neuronas en datos experimentales, y conectarse automáticamente en un modo biológico, a una tarea que implique el posicionamiento en torno a 30 millones de sinapsis en lugares precisos en forma 3D.

En noviembre de 2007, Blue Brain alcanzó un hito importante y la conclusión de su primera fase, con el anuncio de nuevos datos que permitirán procesar, crear, validar e investigar la columna neocortical.

Simulando los microcircuitos

Una vez construido el microprocesador, se pudo empezar el apasionante trabajo de realizar la función del circuito. Los 8192 procesadores de BlueGene se presionan a la vez para resolver las complejas ecuaciones matemáticas que rigen la actividad eléctrica en cada neurona cuando un estímulo es aplicado. A medida que el impulso eléctrico viaja de neurona a neurona, los resultados se comunican a través de inter-procesadores de comunicación Actualmente, el tiempo necesario para simular el circuito es de dos órdenes de magnitud más que el tiempo real biológico simulado. El equipo Blue Brain está trabajando para simplificar el cálculo de manera que el circuito pueda funcionar en tiempo real.

Interpretación de los resultados

La simulación genera enormes cantidades de datos. Los análisis de las neuronas individuales deben repetirse miles de veces. Y los estudios relativos a la actividad de la red deben hacer frente a los datos que fácilmente llegan a los cientos de gigabytes por segundo de simulación. Dada la complejidad geométrica de la columna neocortical, una exploración visual del circuito es parte importante del análisis. Cartografiar los datos sobre la morfología es muy valioso para la verificación inmediata de la actividad celular, así como de la red de fenómenos. Arquitectos de EPFL han trabajado con Blue Brain para diseñar una interfaz de visualización que traduzca los datos en una representación visual 3D de la columna. Se utiliza una supercomputadora para esta intensiva tarea. A medida que el impulso eléctrico viaja a través de la columna, las neuronas y la luz cambian de color a medida que se activan eléctricamente.

La interfaz visual permite identificar rápidamente las áreas de interés que pueden ser estudiadas más ampliamente utilizando otras simulaciones. También se puede utilizar una representación visual para comparar los resultados de la simulación con experimentos que muestren la actividad eléctrica del cerebro. Esta calibración es la segunda fase del proyecto Blue Brain, que se espera completar muy pronto.

¿Qué sigue para el proyecto Blue Brain?

La fase I marcó la culminación de las pruebas de simulación basadas en procesos de investigación que han dado lugar a un modelo celular de la columna neocortical. Los investigadores han logrado la fidelidad biológica de tal manera que el propio modelo sirve como un instrumento primordial para evaluar la coherencia y pertinencia de los datos neurobiológicos, y la orientación a nuevos esfuerzos experimentales. Esta información servirá para seguir perfeccionando el modelo de la columna neocortical. El proceso de ensamblado permite a los neurocientíficos investigar cuestiones médicas mediante la integración de datos experimentales disponibles y la evaluación de hipótesis sobre la dinámica de la red y la función neuronal. La finalización de esta etapa aumentará la resolución de los modelos hasta un nivel molecular y ampliará su tamaño con tal de simular el cerebro de los mamíferos.

En el futuro, la información de la genética molecular se podrá añadir a los algoritmos generadores de neuronas y sus conexiones, y por lo tanto, este nivel de detalle se reflejará en la construcción de circuitos. Las simulaciones se podrán utilizar para explorar lo que sucede cuando la información genética y molecular está alterada, situaciones tales como alteración de los neurotransmisores, o lo que sucede cuando el entorno molecular se ve alterado por el efecto de las drogas.
El proyecto continuará y ampliará necesariamente la participación de científicos y grupos de investigación de todo el mundo.