Por su interés, nuestro amigo Antonio Arturo traduce este artículo publicado en Nature el 22 de febrero del 2012

Henry Markram busca 1.000 millones de euros para modelar todo el cerebro humano.  Los escépticos no creen que lo consiga. M. Mitchell Waldrop – 22 Febrero 2012

No fue exactamente el linchamiento que Henry Markram hubiera esperado, pero la lluvia de comentarios críticos de sus colegas neurocientíficos («es una mierda», dijo uno) lo hizo parecer un auto.

Oficialmente, la reunión de la Academia Suiza de Ciencias en Berna el 20 de Enero era un examen del modelado a gran escala con ordenadores en neurociencias. Oficiosamente, se trataba de la primera oportunidad real que tenían los neurocientíficos de obtener respuestas acerca de la controvertida propuesta de Markram del Proyecto de Cerebro Humano (HBP), un proyecto de construcción de una simulación en superordenadores que integre todo el conocimiento sobre el cerebro humano, desde las estructuras de canales iónicos de las membranas de las células neuronales hasta los mecanismos que hay tras la decisión consciente.

Markram, un electrofisiólogo del cerebro sudafricano que trabaja en el Instituto Federal de Tecnología de Lausana (EPFL) desde hace una década, puede ver realizados sus sueños pronto. El proyecto es uno de los seis finalistas que compiten para obtener 1.000 millones de euros si se convierte en una de las dos iniciativas de bandera de la Unión Europea para la próxima década.

«Los científicos que investigan el cerebro están generando 60.000 artículos al año», dijo Markram en su explicación de la idea en Berna. «Todos son estudios bellos y fantásticos, aunque todos centrados en su propia pequeña parcela: tal molécula, tal región cerebral, tal función, tal mapa». El HBP podría integrar estos descubrimientos, dijo, y crear modelos para explorar cómo se organizan los circuitos neuronales, y cómo dan origen a a la conducta y la cognición, entre los misterios más profundos de la neurociencia. El última instancia, según Markram, el HBP incluso podría ayudar a tratar de resolver dolencias como el Alzheimer. «Si no disponemos de una visión integrada, no comprenderemos estas enfermedades», declaró.

Sin embargo, existe un malestar grande acerca de la idea de Markram, como quedó claro en las reacciones a la reunión. Muchos neurocientíficos creen que está mal concebida, sobre todo porque el particular enfoque de Markram a la simulación cerebral les parece grotescamente complejo y excesivamente detallado. Y no están seguros en absoluto de poder confiar en Markram para dirigir un proyecto verdaderamente abierto a otras ideas.

«Necesitamos variedad en neurociencias», declaró Rodney Douglas, co-director del Instituto de Neuroinformática (INI), una inciativa conjunta de la Universidad de Zurich y del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich (ETH Zurich). Dado lo poco que se sabe sobre el cerebro, dijo, «necesitamos tanta gente diferente expresando ideas diferentes como sea posible», una diversidad que podría verse amenazada si tan gran parte del escaso dinero para la investigación en neurociencias se desviara a un solo empeño.

Markram no se desanimó. En este preciso momento, expuso, los neurocientíficos no disponen de ningún plan para alcanzar una comprensión exhaustiva del cerebro. «asi que este es el plan,» dijo «construir modelos integradores».

La gran idea de Markram

Markram ha perseguido la unión desde al menos 1980, cuando inició sus estudios en la Universidad de Ciudad del Cabo en Sudáfrica. Abandonó su primer campo, la psiquiatría, cuando decidió que ésta consistía principalmente en clasificarar gente en casilleros diagnósticos y medicarla en consecuencia. «Esto nunca iba a decirnos cómo funcionaba el cerebro», recalcó en Berna.

Su búsqueda de nuevos caminos llevó a Markram al laboratorio de Douglas, por entonces un joven neurocientífico de Ciudad del Cabo. Markram quedó cautivado. «Dije, ‘¡esto es!’ Voy a investigar el cerebro y su funcionamiento el resto de mi vida, hasta en el más pequeño detalle que podamos encontrar».

Ese entusiasmo llevó a Markram a un doctorado en el Instituto Weizmann de Ciencias en Rehovot, Israel,  a postdoctorados en el Intituto nacional de Salud de Bethesda, Maryland, USA, y en el Instituto Max Planck de investigación Médica de Heidelberg, Alemania, y al profesorado de Weizmann en 1995. Se ganó una formidable reputación como experimentador, demostrando de forma notable la plasticidad sináptica dependiente de la temporización de los impulsos (spike-timing-dependent plasticity), en que la intensidad de las conexiones neuronales cambia según cuándo los impulsos entran y salen (H. Markram et al. Science 275, 213–215; 1997).

A mediados de los 90, se encontraba insatisfecho con los descubrimientos individuales. «Me di cuenta de que podría seguir haciendo esto los próximos 25 o 30 años de mi carrera, y aun así eso no iba a ayudarme a comprender cómo funciona el cerebro», dijo.

Para avanzar, razonó, los neurocientíficos deberían conjuntar sus descubrimientos de modo sistemático. Todo experimento implica un modelo, al menos tácitamente, sea la estructura molecular de un canal iónico o la dinámica de un circuito cortical. Markram se dio cuenta de que con ordenadores se podrían codificar todos esos modelos explícitamente y hacerlos funcionar conjuntamente. Esto ayudaría a los investigadores a encontrar las lagunas y contradicciones de su conocimiento e identificar los experimentos necesarios para resolverlas.

El enfoque de Markram no era original: los científicos han estado ideando modelos matemáticos de la actividad neuronal desde principios del siglo veinte, y usando ordenadores para ello desde los años 50 (http://www.nature.com/nature/journal/v482/n7386/full/482462a.html). Pero su ambición era grande. En lugar de modelar cada neurona como un nodo puntual de una red neuronal, él propuso modelarlas en todo su detalle multi-ramificado, descendiendo al detalle de sus miríadas de canales iónicos (‘building a brain’ http://www.nature.com/news/computer-modelling-brain-in-a-box-1.10066#build). Y en lugar de modelar sólo los circuitos neuronales implicados en, por ejemplo, el sentido del olfato, pretendía modelar todo «desde el nivel genético, el nivel molecular, las neuronas y sinapsas, cómo están formados los microcircuitos, los macrocircuitos, los mesocircuitos, las áreas del cerebro, hasta conseguir comprender cómo enlazar esos niveles hasta llegar a la conducta y la cognición».

La potencia de cálculo requerida para ejecutar esta grandiosa teoría unificada sería de alrededor de un exaflops, o sea, 10 elevado a 18 operaciones por segundo, algo imposible en los años 90. Pero Markram no se desalentó: la potencia de cálculo se dobla cada 18 meses aproximadamente, por lo que los ordenadores de escala de exaflops podrían ser una realidad hacia 2020 (‘Far to go’ http://www.nature.com/news/computer-modelling-brain-in-a-box-1.10066#far). Y mientras tanto, aseguró, los neurocientíficos debieran prepararse para ellos.

Las ambiciones de Markram encajan perfectamente con las de Patrick Aebischer, un neurocientífico que llegó a la presidencia del EPFL en 2000 con el propósito de hacer de la universidad una potencia tanto en computación como en investigación biomédica. Markram fue uno de sus primeros fichajes, en 2002. «Henry nos dio una justificación para comprar un Blue Gene» dice Aebischer, en referencia al por entonces nuevo supercomputador IBM optimizado para simulaciones a gran escala. Se instaló uno en el EPFL en 2005, lo que permitió a Markram iniciar el Proyecto Blue Brain: su primer experimento en neurociencia integrada y, en retrospectiva, el prototipo del HBP.

Parte del proyecto ha consistido en demostrar lo que puede suponer un modelo unificador, dice Markram, quien comenzó con una base de datos sobre el córtex de la rata que él y sus estudiantes han venido acumulando desde los años 90. Según él, en ella se recogen alrededor de 20.000 experimentos de distintos laboratorios, «información sobre casi cada tipo de célula con que nos hemos encontrado, morfología, reconstrucción tridimensional, propiedades eléctricas, comunicación sináptica, localización de las sinapsas, el modo  en que se comportan las sinapsas, incluso información genética sobre cómo se expresan los genes».

A finales de 2005 su equipo había integrado toda la información relevante de esta base de datos en un modelo de una neurona individual. En 2008, los investigadores habían conectado 10.000 de estos modelos formando la simulación de un trozo tubular de córtex conocido como columna cortical. Ahora, utilizando una versión más avanzada de Blue Gene, han simulado 100 columnas interconectadas.

El trabajo ha rendido algunos descubrimientos, dice Markram, como la aún no publicada distribución estadística de las sinapsas en una columna. Pero su éxito real ha consistido en probar que los modelos integradores son capaces, como prometían, de servir como almacenes de información de la estructura y funcionalidad cortical. Es cierto que la mayor parte del trabajo de los equipos se ha dedicado a crear «el enorme ecosistema de infraestructura y software» necesario para que Blue Brain sea de utilidad para cualquier neurocientífico, dice Markram. Aquí se incluyen las herramientas automáticas para la conversión de datos en simulaciones, y herramientas informáticas como http://channelpedia.net , un sitio web cooperativo que reúne automáticamente información estructural sobre canales iónicos a partir de la base de datos PubMed y que cuenta actualmente con alrededor de 180.000 abstracts.

El objetivo final  siempre fue integrar información del cerebro completo, dice Markram. La oportunidad de acercarse a esa escala apareció por fin en Diciembre de 2009, cuando la Unión Europea anunció que se proponía dotar con 1.000 millones de euros cada uno a dos proyectos de insignia, de riesgo alto pero revolucionarios en potencia. Markram, que había formado parte del consejo asesor de 27 miembros que había aprobado la iniciativa, no perdió tiempo en organizar su propia candidatura. En Mayo de 2011 el HBP fue nominado como uno de los seis candidatos que obtendrían una subvención inicial y deberían presentar una propuesta completa en Mayo de 2012.

Si el HBP es seleccionado, uno de los objetivos fundamentales será hacerlo altamente cooperativo y accesible por Internet, abierto a invetigadores de todo el mundo, dice Markram, y añade que el consorcio del proyecto actualmente ya cuenta con alrededor de 150 investigadores de primera línea y 70 instituciones de 22 países. «Habrá muchos Einsteins trabajando juntos en la construcción de un cerebro», dice, aportando cada cual sus ideas y experiencias propias.

De abajo a arriba

La descrición del HBP como un recurso abierto a sus usuarios despertó interés y entusiasmo en la convención de Berna. Pero los críticos con Markram tuvieron mucha más voz, y muchos de ellos se refirieron a la supuesta incapacidad del modelo Blue Brain y del enfoque de Markram para integrar la información.

En la base de la propuesta está la convicción de Markram de que un buen modelo unificador debe integrar la información desde abajo hacia arriba. Según este enfoque, los modeladores deben empezar al nivel más básico (e insiste en los canales iónicos porque determinan cuándo una neurona se dispara) y hacer que todo funcione antes de pasar al nivel siguiente. Para esto se requieren muchas hipótesis bien fundadas, pero Markram razona que los grandes huecos que sabemos que tenemos en el conocimiento del cerebro se pueden ir rellenando a medida que los experimentos se van publicando (el modelo Blue Brain se actualiza una vez por semana). Según dijo Markram, con el enfoque alternativo, avanzar haciendo abstracción del detalle biológico, no hay modo de estar seguro de que las respuestas de los modelos tengan algo que ver con el funcionamiento real del cerebro.

En esto es donde otros neurocientíficos expertos en computación se muestran reticentes. La mayoría de ellos ya usan modelos simples de neuronas individuales para investigar funciones de alto nivel como el reconocimiento de pautas. Según alegaron muchos de ellos en Berna, en la propuesta abajo-arriba de Markram existe el riesgo de que los árboles no nos dejen ver el bosque: el modelo podría ser tan detallado que no fuera más fácil de entender que el cerebro real. Y eso en el caso de que Markram pudiera construirlo. A juzgar por lo que Blue Brain ha conseguido en los pasados seis años, esto parece poco probable. La minúscula capa simulada de córtex de rata no tiene entradas de órganos sensoriales ni salidas hacia otras partes del cerebro, y casi no produce comportamiento de interés, señaló en un email Kevan Martin, codirector del INI. «Ciertamente, no es el caso» de que Markram haya simulado la columna tal como funciona en un animal completo, dijo.

La respuesta de Markram en Berna a tales críticas fue que continuamente se le suma capacidad a Blue Brain. Pero Martin no quedó convencido. Su email continuaba diciendo que «No puedo imaginar cómo este nivel de detalle, que aún está muy incompleto a pesar del considerable trabajo de Henry, se va a poder obtener alguna vez de algo más que unas pocas regiones del cerebro de un roedor, no digamos cerebros de Drosophila, pez cebra, pájaro, ratón o mono».

«Por supuesto», continúa Martin, «todo esto no sería más que una tormenta académica en un vaso de agua» si el HBP no hubiera irrumpido y elevado enormemente el envite. Es fácil imaginar otras áreas de investigación en neurociencias privadas de recursos por el HBP, especialmente en Suiza que, como país anfitrión, tendrá que aportar una parte aún por determinar pero sustancial de los fondos. Douglas se pregunta ¿gastaría Europa mil millones de euros en financiar el ferviente afán de una persona? Admite que el progreso a veces necesita visionarios, «Pero ¿qué pasa si están fervientemente equivocados?».

También alimenta la inquietud (y la irritación) la extendida impresión de que Markram ha venido exponiendo sus ideas a través de los medios de comunicación y no en publicaciones, conferencias y otros canales convencionales de la ciencia. A los periodistas les gusta: Markram es alto, atractivo y explica sus ideas con claridad, concisión e insistencia, como una versión sudafricana del fallecido Carl Sagan. Posee un “efecto hipnótico”, dice Richard Hahnloser, neurocientífico computacional del INI. Pero los críticos dicen que esto produce demasiados titulares que dan la impresión de que el HBP eliminará, por ejemplo, la necesidad de animales experimentales.

«Toda la comunidad de las neurociencias tendrá problemas durante diez años a partir de ahora», cuando las predicciones no resulten acertadas, dice otro investigador del INI, preocupado porque los políticos vengan en seguida diciendo «usted prometió».

La marcha del progreso

En Berna, Markram se irritó ante acusaciones de que había buscado publicidad deliberadamente. «Yo no he dicho nunca que el HBP sustituyera a los experimentos animales» espetó a uno de sus interpelantes. «Yo dije que la simulación te ayuda a elegir los experimentos que añadan más valor».

Markram trató también  de insistir por todos los medios en que el HBP estará abierto a otros enfoques de modelado. «Este temor es infundado porque ni siquiera se han molestado en enterarse de la propuesta» declaró a Nature tras la reunión. La instalación final «permitirá a cualquiera construir modelos en una variedad de niveles de detalle biológico con tanta información como sea posible obtenida en cualquier parte».

Markram parece estar reuniendo apoyos. El año pasado, el consejo que supervisa tanto el ETH como el EPFL refrendó de modo entusiasta el proyecto Blue Brain tras una rigurosa revisión llevada a cabo por un comité de cuatro miembros entre los que cuales había dos abiertamente escépticos con el proyecto de Markram. El consejo pidió al Parlamento suizo que asignara 75 millones de francos suizos (81 millones de dólares) al proyecto para el período 2013-2016, más de diez veces el presupuesto actual de Blue Brain. Se espera la decisión del Parlamento para el mes próximo.

Markram se muestra optimista con que la Unión Europea llegue a la misma conclusión con el HBP. Sin embargo, si el proyecto no es aprobado, dice Markram, «simplemente seguiremos con Blue Brain», aunque llevará mucho más tiempo alcanzar una simulación del cerebro completa.

Markram claramente siente que la Historia está de su lado. «La investigación basada en la simulación es ineludible», declaró en Berna. «Si se me impide, va a desarrollarse. Ha ocurrido antes en muchas áreas de la ciencia. Y va a ocurrir en las ciencias de la vida».

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Nature  482,  456–458 (23 Febrero 2012)

http://www.nature.com/news/computer-modelling-brain-in-a-box-1.10066

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Trad. Antonio Arturo Gonzalez