Aunque el cerebro de una mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) mide menos de un milímetro de ancho, la publicación del primer mapa completo de sus conexiones neuronales es un salto de gigante para la neurociencia. Los científicos del Consorcio FlyWire han cortado este diminuto cerebro en unas siete mil rebanadas de 40 nanómetros de espesor y, mediante un microscopio electrónico de alta resolución, han cartografiado los 54,5 millones de conexiones de sus 139.255 neuronas.
Los resultados se publican este miércoles en un grupo de nueve de trabajos en la revista Nature que describen el paso más ambicioso hasta la fecha dentro del Proyecto Conectoma Humano, que pretende trazar un mapa de las autopistas neuronales para entender cómo dan lugar a comportamientos complejos.
El mayor conectoma de la mosca de la fruta procedía hasta ahora de un “hemicerebro”, que contenía solo unas 20.000 neuronas, y se habían estudiado cerebros mucho más pequeños, como el de una larva de la mosca de la fruta, que tiene 3.016 neuronas, y el del gusano nemátodo C. elegans, que tiene solo 302 neuronas.
Los investigadores creen que este es un primer paso clave para completar cerebros más grandes y para avanzar en nuestra comprensión de cómo funcionan los circuitos neuronales. Porque, aunque los cerebros de Drosophila tienen alrededor de un millón de veces menos neuronas que los cerebros humanos, la mosca de la fruta muestra una gama de comportamientos complejos, desde volar y navegar hasta las interacciones sociales.
Un ‘Google Maps’ neuronal
“Este conjunto de datos es un poco como Google Maps, pero para el cerebro”, explica Philipp Schlegel, primer autor de uno de los estudios, investigador del Laboratorio de Biología Molecular del MRC. “Lo que hemos construido es, en muchos sentidos, un atlas”, añade Sven Dorkenwald, autor principal del artículo estrella de Nature. “Al igual que no querrías conducir hasta un nuevo lugar sin Google Maps, no querrías explorar el cerebro sin un mapa. Lo que hemos hecho es construir un atlas del cerebro y agregar anotaciones para todos los negocios, los edificios y los nombres de las calles. Con esto, los investigadores ahora están equipados para navegar de manera reflexiva por el cerebro mientras intentamos comprenderlo”.
Al igual que no querrías conducir hasta un nuevo lugar sin Google Maps, no querrías explorar el cerebro sin un mapa
En conjunto, según los autores, el trabajo permite estudiar cómo la estructura de los circuitos cerebrales determina la función cerebral, lo que proporciona un recurso valioso para la investigación en neurociencia. Además, los métodos utilizados para construir el diagrama de cableado del cerebro de la mosca de la fruta preparan el terreno para futuros proyectos de conectomas a gran escala en otras especies, incluidos mamíferos como los ratones, que son el siguiente objetivo.
“El mapeo de todo el cerebro ha sido posible gracias a los avances en la computación de inteligencia artificial”, subraya Sebastian Seung, investigador de la Universidad de Princeton y uno de los líderes de la investigación. “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”.
Un paso clave para entender el cerebro
El proyecto implicó el manejo de más de 100 terabytes de datos de imágenes y, aunque el mapa fue desarrollado por el Consorcio FlyWire, que tiene su sede en la Universidad de Princeton, es resultado del esfuerzo colectivo que ha implicado a equipos de más de 76 laboratorios con 287 investigadores de todo el mundo. 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, los investigadores planean caracterizar también un cerebro masculino en el futuro.
“Si queremos entender cómo funciona el cerebro, necesitamos una comprensión mecanicista de cómo todas las neuronas encajan entre sí y te permiten pensar”, asegura Gregory Jefferis, uno de los codirectores de la investigación. “En el caso de la mayoría de los cerebros, no tenemos idea de cómo funcionan estas redes. Sin una comprensión detallada de cómo las neuronas se conectan entre sí, no tendremos una comprensión básica de lo que va bien en un cerebro sano o lo que va mal en una enfermedad”, asegura John Ngai, director de la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos, que proporcionó financiación parcial para el proyecto FlyWire.
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
“Esperamos que esto sea transformador para los neurocientíficos que intentan comprender mejor cómo funciona un cerebro sano”, concluye Mala Murthy, investigadora de de la Universidad de Princeton y codirectora de la investigación. “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”.
Un “esfuerzo titánico”
Juan Lerma, investigador del Instituto de Neurociencias de Alicante, destaca el “esfuerzo titánico” que ha supuesto completar el mapa de conexiones de Drosophila y la importancia de los algoritmos de computacionales que se están desarrollando. “Los autores han tenido en cuenta la anterior descripción de un hemicerebro (hemibrain) y no han encontrado grandes diferencias, lo que indica que la variabilidad entre individuos no es grande y, por tanto, estos datos tan minuciosos son generalizables al cerebro de mosca sana”, explica a elDiario.es. Para Lerma, disponer de este mapa conectómico tan preciso, que además está disponible en abierto, “significa el primer paso a la modelización de este cerebro para responder a preguntas importantes, sobre todo en temas de integración sensorial, a la que gran parte de ese cerebro está dedicado”.
Estos resultados abren nuevas posibilidades para investigar los mecanismos subyacentes a la cognición, el comportamiento y los trastornos neurológicos
El neurocientífico español Javier de Felipe, del Instituto Cajal-CSIC, cree que contar con un conectoma completo permite correlacionar la estructura con la función, ofreciendo un marco para investigar cómo las modificaciones genéticas o moleculares afectan al cerebro y al comportamiento. A su juicio, los avances tecnológicos que permiten realizar reconstrucciones de microscopía electrónica a gran escala del cerebro constituyen una auténtica revolución en la neurociencia. “Ofrecen un nivel de detalle sin precedentes sobre la estructura y conectividad cerebral, lo que abre nuevas posibilidades para investigar los mecanismos subyacentes a la cognición, el comportamiento y los trastornos neurológicos”, destaca. “
Javier Morante Oria, científico titular del CSIC, cree que tener el conectoma completo es un gran salto y recuerda que, aunque la mosca es un mecanismo modelo y un insecto diminuto, tiene comportamientos complejos. “Son organismos más sencillos, pero hacen las mismas funciones que hacemos nosotros; comen, se reproducen y duermen”, asegura. “Es la manera de conocer los principios esenciales y generales, estás entendiendo cómo se conectan las neuronas y eso puede servir para aplicaciones clínicas en el futuro”.
Sergio Casas Tintó, investigador del Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) que investiga en Drosophila, cree que este trabajo establece un precedente crucial para la exploración de otros cerebros, incluidos los de vertebrados y humanos. “Esta tecnología permitirá un análisis detallado de las conexiones sinápticas, lo que transformará el diagnóstico y tratamiento de enfermedades neurodegenerativas y trastornos psiquiátricos, como el alzhéimer, párkinson, tumores cerebrales, esquizofrenia o depresión”, asegura. Eso sí, advierte, las diferencias entre el cerebro de la mosca y otros organismos, como los mamíferos, hacen necesario continuar investigando. “Y futuros trabajos deberán abordar la variabilidad entre individuos o entre géneros, lo que podría ser relevante en estudios de neurodiversidad o especialización funcional”.