Hito en neurociencia: logran mapear el cerebro completo de un insecto

En el cerebro humano hay 86 millones de neuronas que establecen trillones de sinapsis o conexiones para recibir y proporcionar información al resto del organismo, lo que convierte a este órgano en un sistema de procesamiento de la información sumamente complejo y difícil de desentrañar. La ciencia ha dado ahora un importante paso para descifrar sus misterios gracias a un estudio realizado por equipo internacional liderado por la Universidad de Johns Hopkins y la Universidad de Cambridge que muestra por primera vez todas las conexiones que se producen entre las neuronas de la mosca de la fruta, un insecto que tiene 3.016 neuronas en su cerebro que dan lugar a 548.000 sinapsis.

En la actualidad se conocen algunas regiones cerebrales que se encargan de funciones como el habla, la visión o el olfato, pero los científicos siguen intentando averiguar cómo la unión individual de las neuronas influye en la creación de aspectos como la conciencia propia, y para ello se han realizado experimentos con cultivos celulares y modelos animales cada vez más complejos.

El conectoma es el conjunto de las uniones neuronales y ya se conoce el conectoma completo de Caenorhabditis elegans, un nemátodo que solo mide 1mm de longitud y tiene 302 neuronas. En total, este pequeño gusano tiene 4.887 conexiones químicas con una dirección específica y 1.447 intersecciones multidireccionales cuando es hermafrodita y 5.315 y 1.755, respectivamente, en el macho de la especie. Conocer estos datos permite saber cómo va a reaccionar frente a ciertos estímulos e investigar y desarrollar nuevas técnicas para estudiar modelos más complejos.

“Si queremos entender quiénes somos y cómo pensamos, parte de eso es comprender el mecanismo del pensamiento, y la clave para eso es saber cómo se conectan las neuronas entre sí”

Los autores de la nueva investigación han mostrado el conectoma completo de una larva de mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, un insecto que dispone de 3.016 neuronas, casi 10 veces las contabilizadas en C. elegans. Cuantas más neuronas, más conexiones, y su relación no es lineal, sino que, al aumentar las neuronas, las conexiones también se multiplican. En total, el equipo ha encontrado 548.000 conexiones, casi 100 veces más que en C. elegans, como han descrito en un artículo que se ha publicado en Science.

El mapa cerebral más avanzado hasta la fecha

Los investigadores han elaborado un diagrama extraordinariamente detallado que rastrea cada conexión neuronal en el cerebro de una larva de mosca de la fruta, un modelo científico arquetípico con cerebros comparables a los humanos y han conseguido completar el mapa cerebral más avanzado hasta ahora y que constituye un hito histórico para la neurociencia.

“Si queremos entender quiénes somos y cómo pensamos, parte de eso es comprender el mecanismo del pensamiento”, ha declarado el autor principal Joshua T. Vogelstein, ingeniero biomédico de Johns Hopkins que se especializa en proyectos basados ​​en datos, incluida la conectómica, el estudio de las conexiones del sistema nervioso. “Y la clave para eso es saber cómo se conectan las neuronas entre sí”.

Mapear cerebros completos es muy difícil y lleva mucho tiempo, incluso disponiendo de los últimos avances tecnológicos. Para obtener una imagen completa a nivel celular de un cerebro primero hay que realizar cientos o miles de cortes en muestras de tejido cientos de veces más finas que un cabello humano. Estas muestras se analizan después con microscopios electrónicos para encontrar todas las conexiones entre las piezas. Tras separar las neuronas y anotar sus posiciones, comienza el proceso de reconstruir, neurona a neurona, un mapa completo y preciso de todas las conexiones presentes en el cerebro.

Los investigadores tardaron 12 años en completar este proceso con la larva de la mosca de la fruta. Eligieron este insecto porque comparte gran parte de su biología fundamental con los humanos, incluida una base genética comparable y por ello es uno de los modelos animales más utilizados para estudiar diferentes enfermedades. Muestra, además, comportamientos de aprendizaje complejo y la capacidad de toma de decisiones.

Los métodos desarrollados por el equipo de científicos para mapear el cerebro de este insecto se pueden aplicar a cualquier proyecto de conexión cerebral y su código está disponible para cualquiera que pretenda mapear un cerebro animal más grande, ha señalado Vogelstein, que añade que, a pesar del reto que supone, se espera que los científicos lo intenten con el cerebro de un ratón –que es aproximadamente un millón de veces mayor que el de una cría de mosca de la fruta–, posiblemente dentro de la próxima década.

El hallazgo puede contribuir al desarrollo de inteligencia artificial

Aunque la posibilidad de cartografiar algo similar a un cerebro humano es muy poco probable en un futuro próximo, los descubrimientos realizados en esta diminuta larva podrán contribuir a resolver grandes interrogantes en diferentes ámbitos científicos, desde la neurología hasta el desarrollo de inteligencias artificiales. “Lo que aprendimos sobre el código de las moscas de la fruta tendrá implicaciones para el código de los humanos”, dijo Vogelstein. “Eso es lo que queremos entender: cómo escribir un programa que conduzca a una red cerebral humana”.

En opinión de Juan Lerma, director del Centro Internacional de Neurociencias Cajal (CINC-CSIC), consejero de la Sociedad norteamericana de Neurociencia (SfN) y editor jefe de Neuroscience, “es un trabajo fantástico que ha llevado muchos años desarrollar y que puede ser tremendamente útil para entender principios sofisticados de integración neuronal y reglas computacionales que pueden ser determinantes en el progreso de múltiples aspectos tan de moda hoy en día como la inteligencia artificial y el aprendizaje profundo”, ha declarado a SMC España.     

“Muchos neurocientíficos pensamos que no podremos entender nuestro cerebro sin conocer con exactitud cómo está organizado. Esta es una creencia generalizada que ya la expresaba Cajal hace más de 100 años. La determinación de la conectividad neuronal, es decir, cómo están construidos los circuitos nerviosos, qué neurona contacta con cuál, con qué frecuencia, es como elaborar el mapa de carreteras de un país, señalando dónde hay autopistas y dónde hay carreteras locales. Solamente de ese examen uno puede inferir cuáles son las relaciones sociales y económicas entre los distintos núcleos de población y regiones. Del examen de ese mapa de conexiones neuronales, que ahora se nos revela, uno puede inferir cómo la arquitectura de un circuito determina la generación de conductas específicas”.

“Por ejemplo, uno de los hallazgos de este trabajo es que parecen existir una inervación recurrente muy profusa y frecuente en aquellos circuitos que se sabe tienen que ver con el aprendizaje. Esto da pistas de cómo la naturaleza organiza los elementos neuronales con bucles para hacer posible esa función maravillosa que es aprender. O, en otras palabras, la existencia de esa organización ahora revelada dota al sistema de la capacidad de almacenar información. Siguiendo con el ejemplo anterior, comprenderemos qué podemos aprender de esa organización para mejorar la estructura de máquinas y los algoritmos de aprendizaje e inteligencia artificial que pueden usar”, concluye el experto.