Una herramienta de referencia del desarrollo cerebral crea el mayor banco de datos de pacientes conocido

Un estudio a cargo de grupo internacional de científicos con participación de brasileños desarrolló gráficos que muestran la evolución del cerebro, incluyendo su expansión y su reducción en el transcurso de los años. En el futuro, esta información podrá servir en la práctica clínica

Por Luciana Constantino  |  Agência FAPESP – Un grupo internacional de científicos, brasileños inclusive, reunió 123.984 estudios de resonancia magnética para mapear el desarrollo del cerebro humano desde las primeras semanas del feto hasta los 100 años de edad. Con ese banco, se diseñaron gráficos que muestran la evolución cerebral en el transcurso de los años, lo que incluye etapas de rápida expansión al comienzo de la vida y de reducción de tamaño del órgano durante el envejecimiento.

Esta herramienta de sistematización de los procesos de desarrollo típico y atípico del cerebro podrá servir como referencia, al funcionar de manera análoga a los actuales gráficos de seguimiento de mediciones de altura y peso de niños. Aparte de hacer de base para la realización de nuevos estudios, se espera que las curvas de referencia tengan en el futuro una aplicación clínica.

Este trabajo, encabezado por investigadores de las universidades de Cambridge (Reino Unido) y de Pensilvania (Estados Unidos), salió publicado en la revista Nature. Al suministrar una métrica por edad y sexo, esta herramienta permite efectuar comparaciones y podrá por ejemplo apuntar caminos para la detección de trastornos que surgen en distintos estadios de la vida, o incluso alteraciones cerebrales capaces de señalizar enfermedades neurodegenerativas progresivas, tales como el alzhéimer y el párkinson.

El banco está considerado como el mayor de este tipo: reúne estudios de 101.457 personas de diversos países. Pese a que existe una predominancia de la representatividad de las ascendencias europeas y norteamericanas, el estudio incluyó información de individuos de América del Sur, de África y de Australia. Pero esta diversidad es aún pequeña si se la compara con el total de información. En un sitio web, llamado BrainChart, los investigadores pretenden seguir alimentando los datos.

“La gran diferencia metodológica de la investigación consistió en abrir la posibilidad de montar referencias robustas y adecuadas que no había hasta el presente. Ahora, al establecer esas curvas, con las puntuaciones y percentiles, es posible ubicar a cada individuo y entender de qué manera se está desarrollando el cerebro en comparación con la trayectoria estándar. Cuando existe un banco con tantas muestras, es posible demostrar pequeñas diferencias con mayor robustez”, le explica a Agência FAPESP el médico Pedro Pan, docente del Departamento de Psiquiatría de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp) y coautor del trabajo.

Pan es vicecoordinador del Estudio Brasileño de Cohorte de Alto Riesgo para Trastornos Psiquiátricos en la Infancia (BHRC, por sus siglas en ingles), una gran investigación de base comunitaria y seguimiento de 2.511 niños y jóvenes de las ciudades de Porto Alegre y São Paulo desde 2010.

El BHRC, considerado uno de los principales seguimientos sobre riesgos de trastornos mentales realizados en Brasil, forma parte del Instituto Nacional de Psiquiatría del Desarrollo para Niños y Adolescentes (INPD), apoyado por la FAPESP y por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq). Con más de 80 docentes e investigadores de 22 universidades, el coordinador general del mismo es el profesor del Departamento de Psiquiatría de la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo (FM-USP) Eurípedes Constantino Miguel Filho. 

El INPD dispone de más de 2.000 imágenes cerebrales recolectadas durante la última década. Algunas de ellas contribuyeron con el trabajo publicado ahora en Nature, entre cuyos coautores se encuentran los profesores Giovanni Abrahão Salum, de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), Andrea Parolin Jackowski, de la Unifesp, y André Zugman, del INPD.

Los hallazgos

Los científicos utilizaron métricas de resonancia magnética cuantificadas por puntuaciones con relación a trayectorias no lineales de cambios cerebrales estructurales y tasas de alteraciones en el transcurso de la vida. Se utilizó un software de neuroimágenes estándar para extraer los datos de los estudios de resonancia magnética, empezando por el volumen de materia gris (células cerebrales, neuronas) y materia blanca (que incluye a las conexiones del cerebro).

Posteriormente, se efectuó la expansión al análisis del espesor de la corteza y del volumen de áreas cerebrales específicas. Para generar los gráficos cerebrales, el grupo adoptó una estructura implementada por la Organización Mundial de la Salud (OMS) para el desarrollo de las curvas estándar de altura y peso.

El modelado adoptado –GAMLSS (las siglas en inglés de modelos aditivos generalizados de escala y forma de localización)– permitió generar el conjunto de datos agregados de neuroimágenes en el transcurso de la vida de los individuos, con los hitos de desarrollo cerebral (o picos de trayectorias) y en comparación con la literatura actual.

De este modo, fue posible confirmar, y en algunos casos incluso demostrar por primera vez mojones que habían sido planteados por hipótesis. Entre ellos están la edad en la cual los principales tipos de tejidos del cerebro alcanzan su volumen máximo y cuándo llegan a su madurez áreas específicas del órgano.

Con relación al volumen de materia gris, los científicos demostraron que existe un rápido aumento a partir de la mitad de la gestación, que llega a su pico poco antes de que el niño llega a los seis años de edad. Luego empieza a disminuir lentamente. En tanto, el volumen de sustancia gris en la región subcortical –que controla las funciones corporales y el comportamiento básico– llega a su pico en la adolescencia, aproximadamente a los 14 años.

El volumen de materia blanca también aumenta rápidamente desde la mitad de la gestación hasta la primera infancia, llegando a su pico poco antes de los 29 años de edad. Su declive empieza a acelerarse después de los 50 años. “Esto muestra que el espacio de plasticidad de esas conexiones va hasta el inicio de la vida adulta”, explica Pan.

A partir de los 60 años, se produce un aumento de la cantidad de líquido cefalorraquídeo, con la consiguiente disminución del cerebro. “Actualmente, ese marcador se utiliza en la clínica como un indicio indirecto de envejecimiento cerebral, que puede estar asociado a enfermedades neurodegenerativas. Aún no contábamos con algunas de estas referencias para el cerebro tan fidedignas”, añade el investigador brasileño.

Hasta ahora, los científicos sabían que ese volumen del líquido aumentaba con la edad, ya que normalmente está asociado a la atrofia cerebral, pero no tenían una dimensión precisa de la velocidad de dicho aumento en una muestra tan significativa.

La cooperación

Al contrario de lo que ocurre en la genética, con sus bancos de datos que reúnen millones de datos de individuos, en neurociencia los estudios se basan históricamente en conjuntos de muestras relativamente pequeños. Algunos factores que contribuyen con este panorama son la dificultad de recolectar las imágenes, por depender de estructura física y de aparatos de resonancia, y su alto costo.

En marzo de este año, en un artículo publicado en Nature se debatió el tema, al ponerse en cuestión el hecho de que muchas de las investigaciones con neuroimágenes dejan de producir resultados válidos precisamente porque tienden a incluir a una pequeña cantidad de participantes, menor que los necesarios para generar resultados confiables.

“El camino para resolver esto consiste en trabajar con muestras grandes y diversas, tal como ese grupo internacional se propuso hacerlo”, afirma Pan, al recordar la primera reunión que tuvo con los investigadores Richard Bethlehen (Cambridge) y Jakob Seidlitz (Pensilvania) en diciembre de 2020 para abordar la cooperación. Ambos son los primeros autores de la investigación sobre desarrollo cerebral.

Para crear la muestra representativa global, los científicos reunieron los estudios de resonancia magnética de más de cien estudios de diversos países. En el editorial de la misma edición de la Nature, donde se aborda la autoría de los datos abiertos, la revista pone de relieve que “no todos los conjuntos de datos estaban originariamente disponibles para el uso de los investigadores”.

En una entrevista concedida al sitio web de la Universidad de Cambridge, Bethlehen destacó que la cooperación permitió reunir datos de todas las franjas etarias y la detección de cambios tempranos y rápidos del cerebro humano. “Una de las cosas que logramos hacer mediante un esfuerzo global muy coordinado fue reunir datos del transcurso de toda la vida útil”, afirmó.

Puede leerse el artículo intitulado Brain charts for the human lifespan en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41586-022-04554-y.