El primer conectoma del cerebro de un insecto revoluciona la neurociencia

Un grupo de investigadores ha completado el mapa cerebral más avanzado hasta la fecha, el de un insecto, un logro histórico en neurociencia que acerca a los científicos a la verdadera comprensión del mecanismo del pensamiento, según publican en la revista Science.

El equipo internacional dirigido por la Universidad Johns Hopkins (Estados Unidos) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido) elaboró un diagrama asombrosamente detallado que traza cada conexión neuronal del cerebro de una mosca de la fruta larvaria, un modelo científico arquetípico con cerebros comparables a los humanos.

El trabajo probablemente servirá de base para futuras investigaciones sobre el cerebro e inspirará nuevas arquitecturas de aprendizaje automático.

"Si queremos entender quiénes somos y cómo pensamos, parte de ello consiste en comprender el mecanismo del pensamiento. Y la clave para ello es saber cómo se conectan las neuronas entre sí", explica el autor principal, Joshua T. Vogelstein, ingeniero biomédico de la Johns Hopkins especializado en proyectos basados en datos como la conectómica, el estudio de las conexiones del sistema nervioso.

El primer intento de cartografiar un cerebro - un estudio de 14 años sobre el gusano redondo iniciado en la década de 1970- dio como resultado un mapa parcial y un Premio Nobel. Desde entonces, se han cartografiado conectomas parciales en muchos sistemas, como moscas, ratones e incluso seres humanos, pero estas reconstrucciones suelen representar sólo una pequeña fracción del cerebro total.

La complejidad de cartografiar cerebros

Sólo se han generado conectomas completos de varias especies pequeñas con unos pocos cientos o miles de neuronas en sus cuerpos: un gusano redondo, una larva de ascidio y una larva de anélido marino.

El conectoma de este equipo de una cría de mosca de la fruta, la larva de 'Drosophila melanogaster', es el mapa más completo y extenso jamás realizado del cerebro de un insecto. Incluye 3.016 neuronas y todas las conexiones entre ellas: 548.000.

"Han pasado 50 años y este es el primer conectoma cerebral. Es una bandera en la arena de que podemos hacerlo. Todo ha ido funcionando hasta llegar a esto", destaca Vogelstein.

Cartografiar cerebros enteros es difícil y lleva mucho tiempo, incluso con la mejor tecnología moderna. Para obtener una imagen completa a nivel celular de un cerebro es necesario dividirlo en cientos o miles de muestras de tejido individuales, todas las cuales tienen que ser analizadas con microscopios electrónicos antes del laborioso proceso de reconstruir todas esas piezas, neurona por neurona, en un retrato completo y preciso de un cerebro.

Se tardó más de una década en hacerlo con la cría de mosca de la fruta. Se calcula que el cerebro de un ratón es un millón de veces mayor que el de una cría de mosca de la fruta, lo que significa que la posibilidad de cartografiar algo parecido a un cerebro humano no es probable en un futuro próximo, quizá ni siquiera en nuestras vidas.

La larva de la mosca comparte parte de biología con el humano

El equipo eligió a propósito la larva de la mosca de la fruta porque, para ser un insecto, 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 de tiempo razonable.

Aun así, el trabajo llevó 12 años a las universidades de Cambridge y Johns Hopkins. Sólo la obtención de imágenes llevó aproximadamente un día por neurona.

Los investigadores de Cambridge crearon las imágenes de alta resolución del cerebro y las estudiaron manualmente para encontrar neuronas individuales, trazando rigurosamente cada una de ellas y relacionando sus conexiones sinápticas.

Cambridge cedió los datos a Johns Hopkins, donde el equipo pasó más de tres años utilizando el código original que crearon para analizar la conectividad del cerebro. El equipo de la Johns Hopkins desarrolló técnicas para encontrar grupos de neuronas basándose en patrones de conectividad compartidos, y luego analizó cómo podía propagarse la información por el cerebro.

Al final, el equipo completo trazó un gráfico de cada neurona y cada conexión, y clasificó cada neurona por la función que desempeña en el cerebro. Descubrieron que los circuitos más activos del cerebro eran los que se dirigían y alejaban de las neuronas del centro de aprendizaje.

Los métodos desarrollados por Johns Hopkins son aplicables a cualquier proyecto de conexión cerebral, y su código está a disposición de quien intente cartografiar un cerebro animal aún mayor, dijo Vogelstein, quien añadió que, a pesar de los retos, se espera que los científicos se enfrenten al ratón, posiblemente en la próxima década. Otros equipos ya están trabajando en un mapa del cerebro adulto de la mosca de la fruta.

El co-primer autor Benjamin Pedigo, doctorando en Ingeniería Biomédica de la Johns Hopkins, espera que el código del equipo pueda ayudar a revelar importantes comparaciones entre las conexiones del cerebro adulto y el larvario. A medida que se generen conectomas de más larvas y de otras especies relacionadas, Pedigo espera que sus técnicas de análisis permitan comprender mejor las variaciones en el cableado cerebral.

El trabajo con larvas de mosca de la fruta mostró características de circuitos que recordaban sorprendentemente a arquitecturas de aprendizaje automático prominentes y potentes. El equipo espera que el estudio continuado revele aún más principios computacionales y pueda inspirar nuevos sistemas de inteligencia artificial.

"Lo que hemos aprendido sobre el código de la mosca de la fruta tendrá implicaciones para el código humano", destaca Vogelstein. "Eso es lo que queremos entender: cómo escribir un programa que conduzca a una red cerebral humana".