Se ha realizado el primer diagrama de cableado de cada neurona de un cerebro adulto y de las 50 millones de conexiones entre ellas para una mosca de la fruta. Este logro histórico ha sido realizado por un gran grupo internacional de científicos, llamado Consorcio FlyWire, que incluye investigadores del Laboratorio de Biología Molecular del MRC y la Universidad de Cambridge (Reino Unido), la Universidad de Princeton y la Universidad de Vermont (ambas en Estados Unidos).
El diagrama de las 139.255 neuronas del cerebro de una mosca adulta es el primero de un cerebro completo de un animal que puede caminar y ver. En estudios anteriores se han realizado diagramas completos de cerebros mucho más pequeños, como el de una larva de mosca de la fruta, que tiene 3.016 neuronas, y el de un gusano nematodo, que tiene 302 neuronas.
Los investigadores afirman que este mapa cerebral completo es un primer paso clave para completar cerebros más grandes. Dado que la mosca de la fruta es una herramienta común en la investigación, su mapa cerebral puede utilizarse para avanzar en nuestra comprensión de cómo funcionan los circuitos neuronales. Esta investigación se llevó a cabo utilizando el cerebro de una mosca hembra. Dado que existen diferencias en la estructura neuronal entre los cerebros de las moscas macho y hembra.
"Si queremos entender cómo funciona el cerebro, necesitamos una comprensión mecanicista de cómo todas las neuronas encajan entre sí y te permiten pensar. En el caso de la mayoría de los cerebros, no tenemos idea de cómo funcionan estas redes"
El doctor Gregory Jefferis , del Laboratorio de Biología Molecular del MRC y de la Universidad de Cambridge, quien fue uno de los codirectores de la investigación, comenta: "Si queremos entender cómo funciona el cerebro, necesitamos una comprensión mecanicista de cómo todas las neuronas encajan entre sí y te permiten pensar. En el caso de la mayoría de los cerebros, no tenemos idea de cómo funcionan estas redes", continua, "Las moscas pueden hacer todo tipo de cosas complicadas, como caminar, volar, orientarse y los machos cantan a las hembras. Los diagramas del cableado cerebral son un primer paso para comprender todo lo que nos interesa: cómo controlamos nuestro movimiento, respondemos el teléfono o reconocemos a un amigo".
Por su parte, la doctora Mala Murthy , de la Universidad de Princeton, una de las codirectoras de la investigación, agrega "Hemos puesto toda la base de datos a disposición de todos los investigadores de forma gratuita y abierta. Esperamos que esto sea transformador para los neurocientíficos que intentan comprender mejor cómo funciona un cerebro sano. En el futuro esperamos que sea posible comparar lo que sucede cuando las cosas van mal en nuestro cerebro, por ejemplo, en los trastornos de salud mental".
Existen muchas similitudes en el cableado entre cerebros individuales, que cada cerebro no es una estructura única como un copo de nieve
Los científicos descubrieron que existían similitudes sustanciales entre el cableado de este mapa y los trabajos previos a menor escala que habían cartografiado partes del cerebro de la mosca. Esto llevó a los investigadores a concluir que existen muchas similitudes en el cableado entre cerebros individuales, que cada cerebro no es una estructura única como un copo de nieve.
Al comparar su diagrama cerebral con diagramas anteriores de áreas pequeñas del cerebro, los investigadores también descubrieron que alrededor del 0,5% de las neuronas presentan variaciones de desarrollo que podrían provocar que las conexiones entre neuronas estén mal conectadas. Los investigadores afirman que este será un área importante para futuras investigaciones para comprender si estos cambios están relacionados con la individualidad o con trastornos cerebrales.
El cerebro de una mosca entera mide menos de un milímetro de ancho. Los investigadores comenzaron con un cerebro de hembra cortado en siete mil rebanadas, cada una de solo 40 nanómetros de espesor, que fueron escaneadas previamente con microscopio electrónico de alta resolución. Analizar más de 100 terabytes de datos de imágenes para extraer las formas de aproximadamente 140.000 neuronas y 50 millones de conexiones entre ellas es un desafío demasiado grande para que los humanos lo completen manualmente. Por ello, los investigadores se basaron en inteligencia artificial desarrollada en la Universidad de Princeton para identificar y mapear las neuronas y sus conexiones entre sí. Sin embargo, la IA aún comete muchos errores en conjuntos de datos de este tamaño. El Consorcio FlyWire, formado por equipos de más de 76 laboratorios y 287 investigadores de todo el mundo, así como voluntarios del público en general, dedicó aproximadamente 33 años-persona a revisar minuciosamente todos los datos.
"El mapeo de todo el cerebro ha sido posible gracias a los avances en la computación de IA; no habría sido posible reconstruir todo el diagrama de cableado manualmente. Esto es una muestra de cómo la IA puede hacer avanzar la neurociencia"
El doctor Sebastian Seung , de la Universidad de Princeton, uno de los líderes de la investigación, desvela: "El mapeo de todo el cerebro ha sido posible gracias a los avances en la computación de IA; no habría sido posible reconstruir todo el diagrama de cableado manualmente. Esto es una muestra de cómo la IA puede hacer avanzar la neurociencia. El cerebro de la mosca es un hito en nuestro camino hacia la reconstrucción de un diagrama de cableado de todo el cerebro de un ratón".
Los investigadores también anotaron muchos detalles en el diagrama de cableado, como la clasificación de más de 8.000 tipos de células en todo el cerebro. Esto también permite a los investigadores seleccionar sistemas específicos dentro del cerebro para su posterior estudio, como las neuronas implicadas en la vista o el movimiento.
El doctor Philipp Schlegel, primer autor de uno de los estudios, del Laboratorio de Biología Molecular del MRC, añade: "Este conjunto de datos es un poco como Google Maps, pero para el cerebro: el diagrama de cableado entre neuronas es como saber qué estructuras en las imágenes satelitales de la Tierra corresponden a calles y edificios. Anotar neuronas es como agregar los nombres de calles y ciudades, horarios de apertura de negocios, números de teléfono, reseñas, etc. al mapa: se necesitan ambas cosas para que sea realmente útil".
Este cableado completo del cerebro, a menudo llamado conectoma, que predice la función de todas las conexiones entre neuronas. Las neuronas utilizan señales eléctricas para enviar mensajes. Cada neurona puede tener cientos de ramificaciones que la conectan con otras neuronas. Los puntos en los que estas ramificaciones se encuentran y transmiten señales entre neuronas se denominan sinapsis. Existen dos formas principales en las que las neuronas se comunican a través de las sinapsis:excitatoria, que promueve la continuación de la señal eléctrica en la neurona receptora o inhibitoria, que reduce la probabilidad de que la siguiente neurona transmita señales.
"Para comenzar a simular el cerebro digitalmente, necesitamos conocer no solo la estructura del cerebro, sino también cómo funcionan las neuronas para activarse y desactivarse entre sí"
El doctor Gregory Jefferis describe: "Para comenzar a simular el cerebro digitalmente, necesitamos conocer no solo la estructura del cerebro, sino también cómo funcionan las neuronas para activarse y desactivarse entre sí. Usando nuestros datos, que se han compartido en línea mientras trabajábamos, otros científicos ya han comenzado a intentar simular cómo responde el cerebro de la mosca al mundo exterior. Este es un comienzo importante, pero necesitaremos recopilar muchos tipos diferentes de datos para producir simulaciones confiables de cómo funciona un cerebro".
"Ahora podemos hacer mapas precisos a nivel sináptico y utilizarlos para comprender mejor los tipos de células y la estructura de los circuitos a escala de todo el cerebro. Esto conducirá inevitablemente a una comprensión más profunda de cómo los sistemas nerviosos procesan, almacenan y recuerdan la información. Creo que este enfoque señala el camino a seguir para el análisis de futuros conectomas de todo el cerebro, tanto en la mosca como en otras especies", señala el profesor asociado Davi Bock, de la Universidad de Vermont.