Desde hace unos 6 años, cientos de neurocientíficos de todo tipo, junto con matemáticos e informáticos están intentando desmontar mediante ingeniería inversa el cerebro humano, con el fin de poder comprender todo su funcionamiento, neurona a neurona, para poder construir uno desde cero o simularlo por ordenador. En 2019, ya no es pura especulación hablar de la idea de crear un cerebro, en gran parte gracias a los avances de la robótica, la nanotecnología, la automatización y los adelantos de la neurociencia de la que tanto os hablo en este blog.

La tarea sé que suena a ciencia ficción o al menos a futuro lejano. Pero hay mucho en juego, seguramente sería el mayor logro de la humanidad bajo mi punto de vista. No solo se podrían encontrar nuevas curas y terapias para las enfermedades mentales, también podríamos por fin saber algo más acerca de la conciencia y tal vez descargarla en un ordenador, como hemos visto en tantas películas de ciencia ficción.

Para que os hagáis una idea de la complejidad de la tarea, os diré que se calcula que el cerebro humano consta de más de cien mil millones de neuronas, más o menos la misma cantidad de estrellas que hay en la Vía Láctea. Y cada neurona está conectada a otras diez mil, de manera que en total existen unos diez mil billones de conexiones posibles (y no hemos empezado a contar las rutas, que sería algo así como el trayecto que sigue una señal). Y no son sólo las conexiones entre neuronas, el producto de muchas de esas conexiones, es decir, el número de «pensamientos» que un cerebro humano puede concebir es verdaderamente incalculable hoy en día.

Construir un cerebro es la nueva carrera espacial, aunque en esta ocasión, entre americanos y europeos. Voy a intentar explicaros los dos principales proyectos que arrancaron en 2013, el Proyecto BRAIN en Estados Unidos, y el Proyecto Cerebro Humano en Europa. Aunque como os decía al empezar, ahora mismo son sólo unos cientos de científicos, al ritmo al que avanzan los proyectos y por los fondos que se están destinando, seguramente dentro de unos años hablaremos de todo un ejército de investigadores trabajando en cada continente.

Y volvemos al tema de la ingeniería inversa. Siendo el cerebro tan complejo, existen por lo menos tres maneras diferentes de desmontarlo neurona a neurona. La primera es simular electrónicamente el cerebro con superordenadores, que es el enfoque adoptado por los europeos. La segunda es elaborar un mapa de las rutas nerviosas de los cerebros vivos, neurona a neurona, o según su función y actividad, como hace BRAIN en Estados Unidos. Hay una tercera vía de la que también os hablaré. Se trata de descifrar los genes que controlan el desarrollo del cerebro, y este es el enfoque elegido por el multimillonario Paul Allen, el que fue fundador junto con Bill Gates de Microsoft.

Me imagino que a muchos de vosotros no os sorprenderá que investigar nuestro cerebro sea central para la ciencia, aunque tal vez algunos tengáis reparos cuando os hable de la cantidad de millones que se está destinando a esta tarea. Hay varios motivos para justificar estos proyectos tan caros. El más obvio es que necesitamos comprender el cerebro humano para seguir avanzando e incluso sobreviviendo como sociedad. Otro motivo es que no podemos seguir experimentando con animales eternamente, cada vez hay más cuestiones éticas que plantearse en este tema. Y para mí el motivo más importante es que la cifra de personas afectadas por trastornos mentales ya llega a los dos mil millones en todo el planeta. Considerando que en las próximas décadas se prevé que los gobiernos destinen un 20% de sus presupuestos a las facturas ocasionadas por enfermedades como el alzheimer, el párkinson, las demencias, el trastorno bipolar o la esquizofrenia; el coste de estas investigaciones es ridículo en comparación. Aunque parezca increíble, el 2019 no hay una sola enfermedad neurológica de la que alguien sepa qué está funcionando mal en el circuito: qué ruta, qué sinapsis, qué neurona, qué receptor.

Vamos a empezar con el planteamiento que hacen los americanos para solucionar este problema: El proyecto BRAIN parte de una idea sencilla: necesitamos conocer las rutas y conexiones de las millones de neuronas que hay en el cerebro. Ya tenemos instrumentos de precisión para monitorizar la actividad eléctrica de neuronas individuales. También contamos con aparatos de resonancia magnética para seguir el comportamiento global del cerebro. Me habéis oido hablar mucho de esta herramienta. Lo que nos falta es saber con precisión cómo se conectan y comunican las neuronas entre sí. Y para solucionar este problema, ya han diseñado un programa a 15 años vista, empezando con tareas a muy “pequeña escala”. Empezaron en 2013 por reconstruir la actividad eléctrica de partes importantes del cerebro de animales, como la médula de la mosca de la fruta, o las células de la retina de un ratón (que cuenta con cincuenta mil neuronas). En 10 años tienen el objetivo de desgranar por completo el cerebro de la mosca de la fruta (150.000 neuronas) en incluso plantear registrar el millón de neuronas que tiene la corteza cerebral de una musaraña, que es el mamífero más pequeño conocido. En 15 años planean ser capaces de registrar por ingeniería inversa la neocorteza de un ratón o el cerebro completo del pez cebra. En estos dos casos ya hablamos de millones de neuronas. De aquí se daría el salto a la obtención de imágenes de cerebros de primates. En fin, es un poco desalentador ver en qué punto estamos todavía, lo sé.

El enfoque del proyecto BRAIN esta centrado, en definitiva, en tener un verdadero mapa preciso de todas las neuronas del cerebro y las rutas establecidas entre ellas. La tarea es tan compleja que os cuento mejor un ejemplo para que os hagáis una idea. El doctor Gerry Rubin, del Instituto Médico Howard Hughes, y uno de los pioneros del Proyecto Brain, ha estado años rebanando el cerebro de una mosca de la fruta, que mide solo 300 micras de diámetro, o sea ni medio milimetro. Se van haciendo cortes como si fueran rebanadas, pero tan finas que ni se ven a simple vista, lo tienen que fotografiar con un microscopio electrónico, y dejar que un superordenador haga el trabajo de reconstruir el cableado, neurona a neurona. Al ritmo que van actualmente calculan que necesitarán 20 años más. Es cierto que conforme consigan automatizar el proceso de cortes y fotografiado con mejores microscopios, el tiempo podrá ser menor. Otro dato impresionante, ahora mismo están almacenando en datos el equivalente a 1000 discos duros de 1 Tera, y esto es a diario, y sólo con la mosca de la fruta. Es más, como no todas las moscas son iguales, tendrán que escanear cientos de cerebros para lograr una aproximación precisa.

Vamos con el Proyecto Cerebro Humano de Europa. El plan inicial fue emplear 10 años utilizando superordenadores para simular el funcionamiento de cerebros de animales, empezando por ratones y progresando hasta seres humanos. En lugar de trabajar con neuronas individuales, el Proyecto Cerebro Humano utiliza  los conocidos unos y ceros de los transistores de los procesadores, para crear un cerebro exactamente igual que el humano pero en formato digital.

El Proyecto europeo ya ha recibido varios miles de millones de euros de financiación, y la persona que lo dirige es Henry Markram, que junto con su equipo llevan ya en realidad más de 20 años registrando el cableado neuronal del cerebro. Empezaron utilizando el Blue Gene de IBM, que fue uno de los superordenadores más rápidos del mundo cuando lo crearon en 2005. Pero no se han quedado desactualizados, ahora mismo están utilizando una red conectada en 4 países, Alemania, Suiza, Italia y España, y para que os hagáis una idea la capacidad de cálculo de esta red equivale a 350.000 ordenadores de los que tenemos en casa cualquiera de nosotros.

Markram ya dijo en una charla TED en 2009 que estarían manejando simulaciones informáticas que empezarán a alcanzar la capacidad del cerebro humano para 2020. Pero pecó de exceso de optimismo, están todavía en simular pequeños mamíferos. Además, aún parece que queda tiempo para poder simular con realismo el comportamiento por ejemplo de un gato o un perro. No se trata de reflejar las neuronas que hay en el cerebro y cómo se activan, sino sobre todo de reproducir la manera en que están conectadas las regiones del cerebro. Y están centrados primero en reproducir el funcionamiento de la corteza en conexión con otras regiones como el tálamo, pero el sistema aún no tiene un cuerpo físico robotizado, así que faltan todas las complejas interacciones entre el cerebro y el entorno. Sin lóbulo parietal, sería como una hoja en blanco sin sensaciones, sin lóbulo temporal, no podrá interaccionar, sin sistema límbico, no podrá tener emociones. En fin, mi intención, no es ridiculizar estos proyectos pero sí que seamos conscientes del punto en el que estamos todavía.

Y vamos con la tercera manera de abordar el dilema de la creación de un cerebro humano, subvencionada por Paul Allen, que ha acabado siendo otro filántropo, igual que Bill Gates, y que ya ha puesto más de 100 millones de euros para su financiación. Desgraciadamente falleció el año pasado por culpa del cáncer y no sabemos en qué situación deja todas las investigaciones que se han realizado. En lugar de analizar el cerebro por medio de simulaciones informáticas o de identificar todas las rutas nerviosas, el llamado Proyecto Atlas del cerebro humano comenzó con el reto de crear un mapa del cerebro identificando los genes responsables de su formación. Es otra idea superambiciosa, crear un mapa tridimensional del cerebro humano, anatómica y genéticamente completo. Os dejo en los enlaces las webs de los tres proyectos para quien quiera curiosear más.

Si nos paramos a pensar en las implicaciones de todas estas iniciativas, yo al menos saco algunas conclusiones. En primer lugar, quedan décadas hasta que ninguno de estos proyectos llegué a completarse, aunque puede que en unos años ya haya resultados prácticos de las investigaciones, me refiero a tener pistas más claras de qué ocurre en ciertas enfermedades mentales para poder desarrollar otros tratamientos que no sean farmacológicos. Otro de los efectos de estos proyectos es que nos encontremos con una cantidad de datos por analizar inmensa, y que no sepamos muy bien qué hacer con ellos. Los ordenadores no hacen el trabajo solos, sigue siendo necesario que los neurocientíficos den instrucciones a los superordenadores para saber qué hacer con ellos. Y no, no creo que todo lo vaya a solucionar el tan de moda machine learning o aprendizaje automático. Tenemos un gran ejemplo en este sentido, el Proyecto Genoma Humano, que se completó en 2016 nos ha dado una especie de manual con miles de genes, pero sin las instrucciones de qué hace cada gen. Ha sido un primer paso impresionante pero quedan años por delante para entenderlo.

A pesar de las limitaciones actuales, tanto la idea de crear mapas por ingeniería inversa como la simulación por ordenador, me parecen ideas simples y prácticas que van a ayudar mucho a que avance también el campo de la inteligencia artificial que ahora esta muy de moda en relacióna los smartphones pero que es otro campo que en realidad también está empezando.

NOTAS:

Proyecto BRAIN americano y el doctor Gerry Rubin. El Proyecto Cerebro Humano en Europa y Henry Markram como uno de sus destacados, y aquí su charla TED de 2009. El Mapa Allen del cerebro, financiado por Paul Allen.