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Jun 06, 2023

Cómo los científicos utilizan AWS AI y ML para mapear todo el cerebro humano

Los neurocientíficos han estado trabajando en ello durante décadas, pero el progreso en el tratamiento de enfermedades cerebrales como el Alzheimer y el Parkinson es lento. ¿Por qué? El cerebro es nuestro órgano más complejo. También es el

Los neurocientíficos han estado trabajando en ello durante décadas, pero el progreso en el tratamiento de enfermedades cerebrales como el Alzheimer y el Parkinson es lento.

¿Por qué? El cerebro es nuestro órgano más complejo. También es el más inaccesible para estudiar. Los conjuntos de datos recopilados para la investigación del cerebro son extensos, pero dispares y, a menudo, no existen en un lenguaje científico universal.

"A pesar de una enorme inversión, todavía no hemos encontrado soluciones para los principales trastornos cerebrales", dijo Ed Lein, investigador principal del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro. "Estamos inundados de información, pero no está centralizada ni sintetizada".

Con financiación de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y tecnología de Amazon Web Services (AWS), el Instituto Allen está liderando un esfuerzo para cambiar esto mediante la construcción de algo llamado Brain Knowledge Platform.

Una parte del trabajo de la plataforma de conocimiento del cerebro, dirigida por Lein y una red de investigadores de neurociencia de 17 institutos de todo el mundo, será crear un nuevo mapa de todo el cerebro con resolución celular. La otra parte del esfuerzo, liderado por el jefe de datos y tecnología del Instituto Allen, Shoaib Mufti, en colaboración con AWS, será utilizar este mapa cerebral para crear la base de datos de código abierto más grande del mundo sobre datos de células cerebrales. Será el primero de su tipo en compilar y estandarizar conjuntos de datos masivos sobre la estructura y función de los cerebros de los mamíferos.

El objetivo final es crear un recurso que permita un mejor diagnóstico y tratamiento de los trastornos y enfermedades mentales y neurológicas.

“La química tiene la tabla periódica. La genómica tiene el mapa del genoma humano, que ha sido transformador. La neurociencia necesita un recurso fundamental similar, que la plataforma de conocimiento del cerebro ayudará a crear”, dijo Lein.

El caballo de batalla de la plataforma es la genómica unicelular. Gracias a las nuevas tecnologías que miden los genes que se utilizan dentro de las células cerebrales individuales, los investigadores ahora pueden comprender mejor la complejidad celular del cerebro y los genes que confieren a las células sus distintas funciones. Estos atlas celulares altamente detallados ayudarán a los investigadores a comprender los orígenes de las enfermedades y, eventualmente, permitirán a los médicos identificar por qué ocurren enfermedades como el Alzheimer y el Parkinson.

"Esta plataforma de conocimiento permitirá a los investigadores hacer nuevos descubrimientos que no son posibles con la infraestructura actual", afirmó Mufti. "Una vez que empecemos a conectar piezas de información y podamos conectar datos de un cerebro sano con información de un cerebro enfermo, ahí es donde sucederá la magia".

La plataforma también establece conexiones entre la investigación del cerebro en diferentes especies, y Lein espera que el gráfico de conocimiento eventualmente integre información de toda la biología de los mamíferos.

La computación en la nube es lo que permite almacenar, analizar y acceder a los datos de aproximadamente 200 mil millones de células del cerebro como una herramienta de código abierto que, en última instancia, será utilizada por los médicos que buscan tratamientos y curas para enfermedades cerebrales. La informática de alto rendimiento en AWS y Amazon SageMaker está ayudando al Instituto Allen a administrar todos estos datos, escalando a través de múltiples cargas de trabajo. El instituto está utilizando los servicios de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML) de AWS (y planea implementar IA generativa en el futuro) para transformar datos multimodales grandes y complejos en información útil para los médicos.

"El aprendizaje automático de AWS permite a las organizaciones de investigación descubrir nuevas conexiones y descubrimientos con servicios de IA especialmente diseñados", afirmó Allyson Fryhoff, directora general de organizaciones sin fines de lucro y de salud de AWS. "Allen está utilizando tecnologías avanzadas en la nube como ML para acelerar aún más sus hallazgos de una manera rentable y escalable. Nos inspira su trabajo para desbloquear conocimientos nunca antes vistos sobre el cerebro humano, y esperamos con ansias los muchos conocimientos sobre el cerebro. avances en la investigación por venir."

David Van Essen, profesor de neurociencia en la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, y socio de investigación del Instituto Allen, ha estado estudiando el cerebro durante más de cinco décadas. Compara el ritmo acelerado de la investigación del cerebro con la evolución de la cartografía geoespacial.

“Hace siglos, teníamos mapas coloridos pero bastante toscos de cómo la gente pensaba que era la superficie de la Tierra. Los cartógrafos sabían aproximadamente dónde estaban los continentes y las islas, y cuáles eran las principales subdivisiones geográficas y políticas, pero no eran muy precisos”, dijo Van Essen. “Recientemente, ha habido una explosión de información y mejor tecnología con imágenes satelitales y herramientas de navegación mucho más precisas y fáciles de usar. Lo que aspiramos a hacer por el cerebro humano es obtener mapas cada vez mejores y con mayor detalle, que se convertirán en poderosas herramientas de navegación para los trastornos cerebrales”.

Lein y su equipo apenas están comenzando este proyecto de cinco años para mapear el cerebro humano, que, al igual que el Proyecto Genoma Humano anterior, tiene el potencial de abrir nuevas puertas, no sólo en la neurociencia, sino en toda la medicina.

Obtenga más información sobre cómo las organizaciones sin fines de lucro como el Instituto Allen utilizan AWS.