El mapeo del cerebro de insectos, un avance

revolucionario en neurociencia

Un equipo internacional de científicos logró un hito histórico en la neurociencia al completar el primer mapa cerebral completo de un insecto, específicamente de una larva de mosca de la fruta (Drosophila melanogaster). Este logro, que tomó 12 años de investigación, ha sido descrito como un avance significativo que podría transformar nuestra comprensión del cerebro y sus funciones.

Los autores, que pertenecen a las Universidades de Johns Hopkins (Estados Unidos) y Cambridge (Reino Unido), no sólo sentaron las bases de futuras investigaciones sobre el cerebro humano, sino también inspiraron nuevas arquitecturas de aprendizaje automático (machine learning), el procedimiento informático en el que se basa la inteligencia artificial (IA).

El equipo eligió a propósito la larva de la mosca de la fruta porque la especie comparte gran parte de su biología fundamental con los humanos, incluida una base genética comparable. Además, tiene un rico comportamiento de aprendizaje y toma de decisiones, lo que la convierte en un organismo modelo útil en neurociencia. A efectos prácticos, su cerebro relativamente compacto permite obtener imágenes y reconstruir sus circuitos en un plazo razonable.

El mapeo del cerebro de la mosca de la fruta fue un proceso complejo y meticuloso que involucró varias etapas clave:

Obtención de imágenes: los científicos utilizaron microscopía electrónica para capturar 21 millones de imágenes del cerebro de una hembra adulta de Drosophila. Estas imágenes fueron tomadas en secciones extremadamente finas, cada una con una resolución de nanómetros.

Los neurocientíficos de Cambridge crearon las imágenes de alta resolución del cerebro y las estudiaron manualmente para encontrar neuronas individuales, rastreando rigurosamente cada una y vinculando sus conexiones sinápticas. El equipo entregó los datos a los investigadores de Johns Hopkins, quienes pasaron varios años usando el código original que crearon para analizar la conectividad del cerebro.

Luego, el grupo de Johns Hopkins desarrolló técnicas para encontrar grupos de neuronas basadas en patrones de conectividad compartidos y luego analizó cómo la información podría propagarse a través del cerebro.

Finalmente, el equipo al completo fue registrando cada neurona y cada conexión, clasificando cada neurona según el papel que desempeña en el cerebro. Descubrieron así que los circuitos más activos del cerebro de estas larvas eran los que iban y venían de las neuronas del centro de aprendizaje.

Reconstrucción 3D: las imágenes obtenidas se combinaron para crear una visión tridimensional completa del cerebro. Este proceso permitió a los investigadores observar las conexiones neuronales en detalle.

Análisis automatizado: Se emplearon sistemas de inteligencia artificial para automatizar gran parte del análisis de las imágenes. La IA ayudó a identificar y trazar las conexiones entre las neuronas, aunque el toque final fue realizado por humanos para corregir errores que la IA no pudo detectar.

Creación del conectoma: el resultado fue un conectoma detallado que incluye 139,255 neuronas y 54.5 millones de sinapsis. Este mapa no sólo muestra las conexiones, sino que también predice el flujo de información entre las neuronas y cómo estas pueden influir en comportamientos complejos.

Validación y publicación: el mapa fue validado y publicado en la revista Nature, marcando un hito en la neurociencia.

¿Qué es un conectoma?

El conectoma es un diagrama detallado de todas las conexiones neuronales en un cerebro, es un conjunto de posibles vías por las cuales fluye la información entre las neuronas que forman el cerebro y las sinapsis que las unen. En el caso de la larva de mosca de la fruta, el conectoma incluye 139,255 neuronas y aproximadamente 54.5 millones de sinapsis. Aproximadamente 149 metros de cableado biológico.

Este mapa detallado permite a los científicos observar cómo se conectan y comunican las neuronas, proporcionando una visión sin precedentes de los circuitos neuronales.

Estas neuronas se dividen en varios tipos, cada una con funciones específicas que contribuyen al comportamiento y la supervivencia del insecto.

·       Neuronas sensoriales: son responsables de recibir información del entorno, como la luz, el sonido y los olores. En la mosca de la fruta, las neuronas sensoriales permiten detectar cambios en el ambiente y responder adecuadamente.

·       Neuronas interneuronales: actúan como intermediarias, procesando la información recibida de las neuronas sensoriales y transmitiéndola a otras partes del cerebro. Estas neuronas son cruciales para la integración de la información y la toma de decisiones.

·       Neuronas motoras: envían señales desde el cerebro a los músculos, controlando el movimiento. En la mosca de la fruta, las neuronas motoras permiten acciones como volar, caminar y alimentarse.

Funciones y conectividad

El conectoma de la mosca de la fruta revela cómo estas neuronas están interconectadas para formar circuitos neuronales complejos. Algunos de los circuitos más estudiados incluyen:

·       Circuitos de aprendizaje y memoria: las moscas de la fruta tienen la capacidad de aprender y recordar, y estos procesos están mediados por circuitos específicos en el cerebro que involucran neuronas dopaminérgicas y colinérgicas.

·       Circuitos de navegación: permiten a la mosca orientarse en su entorno, utilizando señales visuales y olfativas para moverse de manera eficiente.

Importancia del mapeo cerebral

Es crucial por varias razones:

1.     Nos acerca a una verdadera comprensión de cómo se implementan los cálculos en el cerebro, lo que es esencial para entender el mecanismo del pensamiento.

2.     Los conocimientos obtenidos de este conectoma pueden inspirar nuevas arquitecturas de aprendizaje automático, mejorando la inteligencia artificial al imitar los procesos neuronales naturales.

3.     Al comprender mejor cómo funcionan los cerebros, los científicos pueden desarrollar mejores tratamientos para enfermedades neurológicas en humanos.

Desafíos y futuro

Aunque la tecnología actual no permite mapear el conectoma de animales superiores como los grandes mamíferos, este avance sienta las bases para futuras investigaciones. Todos los cerebros, independientemente de la especie, son redes de neuronas interconectadas que deben realizar comportamientos complejos como procesar información sensorial, aprender y navegar por su entorno.

El mapeo del cerebro de insectos representa un paso monumental hacia la comprensión de los misterios del cerebro. Este logro no solo proporciona una herramienta invaluable para los neurocientíficos, sino que también tiene el potencial de revolucionar campos como la inteligencia artificial y el tratamiento de enfermedades neurológicas. La neurociencia está en la cúspide de una nueva era de descubrimientos, y el conectoma de la mosca de la fruta es un testimonio del poder de la investigación científica colaborativa.

Actualmente, otro proyecto ha comenzado a cartografiar el cerebro de un ratón, que se estima que es un millón de veces más grande que el de una cría de mosca de la fruta. El cerebro humano representa un desafío aún más difícil: contiene más de ochenta mil millones de neuronas y 100 billones de conexiones.