Cómo mapear el cerebro de una mosca en 20 millones de pasos sencillos

Por The New York Times | Emily Anthes

El cerebro de la mosca de la fruta tiene el tamaño de una semilla de amapola y, asimismo, es muy fácil de pasar por alto.

“Creo que la mayoría de la gente ni siquiera se imagina que una mosca tenga cerebro”, aseveró Vivek Jayaraman, neurocientífico del Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Virginia. “Pero, desde luego, las moscas tienen una vida bastante intensa”.

Las moscas pueden mostrar comportamientos sofisticados. Además, sus diminutos cerebros son sumamente complejos; tienen cerca de 100.000 neuronas y decenas de millones de conexiones, o sinapsis, entre ellas.

Desde 2014, un equipo de científicos de Janelia, en colaboración con algunos investigadores de Google, han estado mapeando estas neuronas y sus sinapsis en un intento por conformar un diagrama integral de cableado, también conocido como conectoma, de las moscas de la fruta.

Este trabajo implica mucho tiempo y dinero, incluso con la ayuda de los algoritmos de aprendizaje automático de última generación. Pero es asombroso el detalle de los datos que estos han arrojado hasta ahora, los cuales componen un atlas de neuronas retorcidas en muchas áreas primordiales del cerebro de la mosca.

Ahora, en un artículo nuevo que se publica el martes en la revista eLife, los neurocientíficos están comenzando a demostrar lo que pueden hacer con él.

Al analizar el conectoma de tan solo una pequeña parte del cerebro de la mosca —el complejo central que tiene una participación importante en la navegación— Jayaraman y sus colaboradores identificaron docenas de nuevos tipos de neuronas y detectaron circuitos neuronales que, al parecer, ayudan a que las moscas se muevan por el mundo. Este trabajo podría darnos información sobre cómo los diversos tipos de cerebros animales, incluyendo el nuestro, procesan un torrente de información sensorial y la traducen en una cierta acción.

También es un principio de prueba para el nuevo campo de la ciencia moderna de los conectomas, la cual fue cimentada en la promesa de que elaborar diagramas detallados del cableado cerebral aportaría grandes beneficios para la ciencia.

“En verdad es extraordinario”, comentó acerca de este nuevo artículo Clay Reid, investigador sénior en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro en Seattle. “Creo que cualquiera diría que la ciencia de los conectomas es una herramienta necesaria para la neurociencia… y punto”.

El único conectoma completo hecho en el reino animal pertenece al humilde nemátodo C. elegans. El biólogo Sydney Brenner, quien después ganaría el Premio Nobel, comenzó este proyecto en la década de 1960. Su pequeño equipo pasó años trabajando en él y trazando las 302 neuronas con lápices de colores. Cuando se inauguró el Campus de Investigación Janelia en 2006, Gerald Rubin, su director fundador, puso su atención en la mosca de la fruta.

Desde entonces, varios equipos diferentes de este instituto se han dedicado a realizar proyectos con los conectomas de las moscas, pero el trabajo que dio origen a este nuevo artículo comenzó en 2014 con el cerebro de una sola mosca de la fruta de cinco días de nacida.

Los investigadores rebanaron el cerebro de la mosca en placas y obtuvieron imágenes de ellas, capa por capa, mediante la técnica conocida como microscopía electrónica de barrido con un haz de iones focalizados. En esencia, el microscopio funcionó como una lima de uñas diminuta y precisa que limaba una capa extraordinariamente delgada del cerebro, tomaba una fotografía del tejido expuesto y luego repetía el proceso hasta que ya no quedaba nada.

“Al mismo tiempo que captamos la imagen, estamos rebanando capitas del cerebro de la mosca, así que ya no queda nada cuando terminamos”, comentó Jayaraman.

Después usaron un software para visión computarizada con el fin de volver a unir, en una sola imagen y en tercera dimensión, los millones de imágenes resultantes y trasmitirla a Google, donde los investigadores usaron algoritmos de aprendizaje automático avanzados para identificar cada neurona y trazar sus ramas retorcidas.

Al final, el equipo de Janelia empleó otras herramientas de computadora para detectar las sinapsis y luego los científicos revisaron el trabajo de la computadora, corrigieron los errores y perfeccionaron los diagramas del cableado.

El año pasado, los investigadores publicaron el conectoma de lo que llamaron “hemicerebro”, una porción grande de la parte central del cerebro de la mosca que incluye las regiones y las estructuras que resultan fundamentales para dormir, aprender y navegar.

Este conectoma, accesible en línea de manera gratuita, incluye cerca de 25.000 neuronas y 20 millones de sinapsis, muchas más que el conectoma del C. elegans.

“Es un incremento enorme”, señaló Cori Bargmann, neurocientífica de la Universidad Rockefeller en Nueva York. “Es un paso gigantesco hacia el objetivo de encontrar la conectividad del cerebro”.

Cuando estuvo listo el conectoma del hemicerebro, Jayaraman, experto en la neurociencia de la navegación de la mosca, estaba ansioso por profundizar en los datos del complejo central.

Esta región del cerebro, la cual contiene 3000 neuronas y está presente en todos los insectos, le ayuda a la mosca a construir un modelo interno de su relación espacial con el mundo para luego elegir y llevar a cabo los comportamientos pertinentes a las circunstancias, como, por ejemplo. buscar alimento.

“¿Me están diciendo que pueden darme el diagrama del cableado para algo así?”, preguntó Jayaraman. “Este espionaje industrial es mejor del que se pueda hacer con el contenido del iPhone de Apple”. Los investigadores plantearon la hipótesis de que quizás las conexiones del cerebro de la mosca sirvan para dar prioridad a la información sobre el contexto global cuando están navegando, pero también de que estos circuitos son flexibles, a fin de que, cuando esa información sea inadecuada, puedan prestar más atención a las características locales del entorno.

Otros integrantes del equipo de investigación identificaron rutas neuronales específicas que parecían apropiadas para ayudar a que la mosca siguiera la orientación de su cabeza y su cuerpo, anticipara su dirección de vuelo y su orientación futuras, calculara su orientación relativa actual hacia otra ubicación deseada y luego se moviera en esa dirección.

Imaginemos, por ejemplo, que una mosca hambrienta deja de manera momentánea un plátano en descomposición para ver si puede conseguir algo mejor. Pero después de algunos minutos de exploración infructuosa (literalmente), quiere regresar a su alimento anterior.

Los datos del conectoma sugieren que ciertas células del cerebro, llamadas neuronas PFL3, le ayudan a la mosca a realizar esta maniobra. Estas neuronas reciben dos informaciones indispensables: obtienen señales de las neuronas que trazan la dirección a la que se dirige la mosca así como las de las neuronas que tal vez estén atentas a la dirección del plátano.

Luego de recibir esas señales, las neuronas PFL3 envían su propio mensaje a un conjunto de neuronas que se encienden e impulsan a la mosca a desviarse en la dirección correcta, y, una vez más, la comida está servida.

“Es en verdad asombroso poder trazar esa actividad a través de ese circuito (de lo sensorial a lo motor a través de este circuito intermedio complejo)”, señaló Brad Hulse, investigador del laboratorio de Jayaraman que encabezó esta parte del análisis. Añadió que el conectoma “nos demostró más de lo que esperábamos”.

Además, el artículo de este equipo, cuyo borrador incluye 75 figuras y consta de 360 páginas, no es más que el comienzo.

“Realmente brinda esta verdad fundamental para explorar más a fondo esta región del cerebro”, comentó Stanley Heinze, experto en la neurociencia de los insectos en la Universidad Lund en Suecia. “Es en verdad impresionante”. Hay quienes podrían preguntar —y algunos lo han hecho— por qué es importante el sistema de circuitos cerebral de la mosca de la fruta.

“A mí me lo preguntan mucho en las fiestas”, comentó Hulse.

Las moscas no son ratones, ni chimpancés, ni seres humanos, pero su cerebro realiza algunas de las tareas básicas.Entender el circuito neuronal básico de un insecto podría proporcionarnos claves importantes sobre la manera en que el cerebro de otros animales aborda problemas similares, explicó David Van Essen, un neurocientífico de la Universidad de Washington en San Luis.

Tener conocimientos profundos sobre el cerebro de las moscas “nos brinda también otras ideas que son muy relevantes para entender el cerebro y el comportamiento de todos los mamíferos e incluso de los seres humanos”, especificó.

Será todo un desafío la elaboración de conectomas de cerebros más grandes y complejos. El cerebro del ratón contiene aproximadamente 70 millones de neuronas, el del ser humano, la enorme cantidad de 86.000 millones de neuronas.

Pero, en definitiva, este artículo sobre el complejo central no es lo único que hay; están en marcha algunos estudios detallados sobre los conectomas del ratón y del ser humano a nivel regional, comentó Reid: “Vendrán muchos estudios más”.

Que estén alertas los editores de las revistas. La población de neuronas responsable de actualizar la brújula interna de la mosca. (FlyEM/Janelia Research Campus vía The New York Times) Imágenes de las neuronas de la mosca captadas por medio de un microscopio electrónico. (Matt Staley, Janelia Research Campus vía The New York Times)