El primer mapa completo del 'cableado' del cerebro de un insecto

Un equipo internacional de investigadores ha creado el mapa del 'cableado' de todo el cerebro de un insecto, una larva de mosca del vinagre (Drosophila melanogaster). Denominado conectoma, muestra al detalle cómo las neuronas están conectadas entre sí, de la misma manera que un mapa de carreteras indica cuáles son las autopistas, las vías principales y las secundarias. El trabajo, publicado en la revista 'Science', puede ayudar a comprender el comportamiento y el aprendizaje humanos, cómo se desarrollan enfermedades como el alzhéimer y el párkinson y a crear nuevos sistemas de inteligencia artificial.

El primer intento de mapear un cerebro, el del gusano redondo, se llevó a cabo en la década de 1979. El esfuerzo recibió el premio Nobel pero era parcial. Desde entonces, se han mapeado conectomas parciales de moscas, ratones e incluso humanos, pero igualmente estas reconstrucciones solo han representado una pequeña fracción del cerebro total. Sí se han generado conectomas integrales de varias especies pequeñas con unos pocos cientos a unos pocos miles de neuronas: un gusano redondo, una larva de chorro de mar (una sencilla criatura marina que filtra el agua en la profundidad del océano) y una larva de gusano anélido marino.

El nuevo mapa va mucho más allá: comprende 3.016 neuronas que establecen más de medio millón de contactos, por lo que es el más completo y extenso jamás conseguido. No ha sido nada fácil, ni siquiera con la mejor tecnología moderna. Obtener una imagen completa a nivel celular de un cerebro requiere cortarlo en cientos o miles de muestras de tejido individuales, todas las cuales tienen que ser capturadas con microscopios electrónicos antes del minucioso proceso de reconstruir todas esas piezas, neurona por neurona, en una imagen completa y precisa.

Un día por neurona

El trabajo le llevó a la Universidad de Cambridge y a la de Johns Hopkins doce años. Solo la imagen llevó alrededor de un día por neurona. Los investigadores 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.

Cambridge entregó los datos a Johns Hopkins, donde el equipo pasó más de tres años analizando cómo la información podría propagarse a través del cerebro. Al final, los dos grupos registraron cada neurona y cada conexión, y clasificaron cada neurona según el papel que desempeña en el cerebro. Google estuvo involucrado en la creación de los algoritmos de inteligencia artificial para reconstruir todo lo encontrado. Descubrieron que los circuitos más activos eran los que iban y venían de las neuronas del centro de aprendizaje.

El equipo eligió deliberadamente la larva de la mosca de la fruta porque, pese a ser un insecto, la especie comparte gran parte de su biología fundamental con los humanos, incluida una base genética comparable. También tiene comportamientos ricos en aprendizaje y toma de decisiones, lo que la convierte en un organismo modelo útil en neurociencia.

Aprendizaje automático

Joshua T. Vogelstein, autor principal del estudio e ingeniero biomédico en Johns Hopkins, cree que lo aprendido sobre el código de las moscas tendrá implicaciones para conocer nuestro propio cerebro. «Si queremos entender quiénes somos y cómo pensamos, parte de eso es comprender el mecanismo del pensamiento -dice-. Y la clave para eso es saber cómo se conectan las neuronas entre sí». Los resultados pueden ayudar a entender los mecanismos de cómo nos comportamos, tomamos decisiones o aprendemos, y puede conducir a intervenciones terapéuticas en el futuro.

Además, el mapa mostró características de circuito que recordaban sorprendentemente a las poderosas arquitecturas de aprendizaje automático, por lo que el equipo espera que el estudio continuo revele aún más principios computacionales y pueda inspirar nuevos sistemas de inteligencia artificial.

Un mapa de carreteras

«El estudio es espectacular», afirma a este periódico Javier Morante, científico titular del CSIC en el Instituto de Neurociencias de Alicante que no ha participado en el mismo. «Es como un mapa de carreteras de un país, con autopistas, vías secundarias, atajos... y una resolución tan alta que permite ver cómo es la dirección de esas carreteras, si van de la periferia al centro, o al revés. Y con un detalle tan brutal que han delimitado, por decirlo así, los peajes, las gasolineras... Hasta ahora no se había conseguido nada parecido».

A su juicio, el trabajo también nos ayudará a comprender enfermedades del cerebro humano. «La mosca es el animal que mejor se puede manipular genéticamente. Si entendemos cómo está organizado este cerebro sano, podremos en el futuro manipular esas 'autopistas' y ver cómo eso influye en el comportamiento, entender lo circuitos de patologías como el párkinson o del alzhéimer«, señala Morante.

Los métodos desarrollados por los investigadores son aplicables a cualquier proyecto de conexión cerebral, y su código está disponible para cualquiera que intente mapear un cerebro animal aún más grande. Otros equipos ya están trabajando en un mapa del cerebro de la mosca de la fruta adulta.

Aunque resulta en extremo complejo, los investigadores creen que el cerebro de un ratón, un millón de veces más grande que el de la larva de la mosca, podrá mapearse en la próxima década. Eso sí, la posibilidad de hacerlo con algo parecido a un cerebro humano «no es probable en el futuro cercano, tal vez ni siquiera en nuestras vidas».