Crean un "Google Maps" del cerebro de la mosca de la fruta, un gran avance en neurociencia

Hace poco más de un año, dos equipos científicos de Estados Unidos y Reino Unido lograron cartografiar el cerebro completo de la larva de la mosca de la fruta, con sus 3.000 neuronas, una investigación de 12 años que recogió entonces la revista Science. Investigaciones anteriores también habían mostrado ya el mapeo del órgano de un gusano C. elegans, que contiene 302 neuronas.

Esta semana, es la revista Nature la que informa del mapa completo del cerebro de un ejemplar adulto de mosca de la fruta, varios órdenes de magnitud más complejo, con 139.255 neuronas y unos 50 millones de sinapsis que las conectan. Se trata del primer diagrama de cableado (o conectoma) de todo el cerebro de este insecto, Drosophila melanogaster, un organismo modelo típico en biología.

Este logro ha sido llevado a cabo por una colaboración internacional de especialistas, denominada FlyWire Consortium, que incluye a investigadores de Reino Unido, Estados Unidos, Australia, Francia, Alemania, Israel, Corea, Filipinas, Polonia, Portugal, Puerto Rico, Suiza y Taiwán.

Mientras que unos grupos se centraron en las conexiones, otros han identificado en dicho conectoma más de 8.400 tipos celulares, de los cuales 4.581 son nuevos. Por último, otros trabajos de la colección arrojan luz sobre cómo la conectividad entre neuronas específicas impulsa comportamientos como la comunicación entre regiones cerebrales o el movimiento. En total se han publicado nueve artículos.

Comprender cerebros más grandes

Las moscas de la fruta comparten el 60% del ADN humano, y tres de cada cuatro enfermedades genéticas humanas tienen un paralelismo en ellas. Por ello, comprender su cerebro es un peldaño más hacia la comprensión de cerebros de especies más grandes y complejas, como los humanos, apuntan los autores.

"Su cerebro puede parecer minúsculo –tiene como un millón de neuronas menos que el órgano humano–, pero una mosca de la fruta puede ver, oler, oír, caminar y volar. Es más, socializan, navegan y aprenden de la experiencia", explica a SINC Sebastian Seung, investigador en la Universidad de Princeton (Estados Unidos) y codirector, junto con Mala Murthy, del equipo de investigación del principal artículo de esta colección.

"En la última década, se han producido avances revolucionarios en el conocimiento del cerebro de la mosca, y su conectoma es fundamental . Aunque este esté reconstruido a partir del cerebro de un ejemplar muerto, puede brindarnos información valiosa sobre cómo funciona un cerebro vivo", añade.

Tal y como indica a SINC Philip Shiu, investigador en la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos) y líder de otro de los nuevos trabajos, "no estaba claro hasta qué punto el conectoma nos permitiría predecir la actividad neuronal, pero hemos descubierto que realmente permite pronosticar y comprender el funcionamiento del cerebro".

El equipo de neurocientíficos ha dado un gran paso hacia la comprensión del cerebro humano al construir una hoja de ruta neurona por neurona y sinapsis por sinapsis a través del cerebro de una mosca de la fruta adulta. / Amy Sterling / FlyWire / Princeton University

Primer conectoma de un animal tan complejo

El mapa se construyó a partir de 21 millones de imágenes tomadas del cerebro de una hembra de Drosophila melanogaster. Dado que existen diferencias en la estructura neuronal de las moscas macho y hembra, los investigadores tienen previsto caracterizar también un órgano masculino en el futuro.

Gracias a un modelo de inteligencia artificial, los grumos y manchas de esas imágenes se convirtieron en un mapa 3D etiquetado. "No habríamos podido hacerlo sin la automatización del análisis. Pero en la etapa final, también necesitamos inteligencia humana, porque la IA todavía comete errores de vez en cuando. Un equipo de humanos encontró y corrigió estos fallos para producir el conectoma final", sostiene Seung.

Al comparar el diagrama cerebral con otros anteriores más sencillos, los investigadores descubrieron que alrededor del 0,5% de las neuronas presentan variaciones de desarrollo que podrían provocar conexiones erróneas entre ellas. Los expertos afirman que este será un importante campo de investigación futura para entender si estos cambios están relacionados con trastornos cerebrales.

"No existe ningún otro conectoma cerebral completo de un animal adulto de esta complejidad", puntualiza Murthy, que es directora del Instituto de Neurociencia en Princeton. "Hemos puesto la base de datos a disposición de todos los investigadores de forma abierta y gratuita. En el futuro, esperamos que sea posible comparar lo que ocurre, por ejemplo, en las enfermedades mentales", añade.

Simulación de la función cerebral

Este es también el primer mapa del cableado cerebral completo que predice la función de todas las conexiones entre neuronas. Hay dos formas principales en que estas 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).

Los autores también utilizaron tecnología de exploración de imágenes por IA para predecir si cada sinapsis era inhibitoria o excitatoria. “Para empezar a simular digitalmente el cerebro, necesitamos conocer no solo su estructura, sino también cómo funcionan las neuronas para activarse y desactivarse unas a otras”, indica Gregory Jefferis, investigador en la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y autor principal en varios de los estudios.

"Sin un conocimiento detallado de cómo se conectan las neuronas entre sí, no tendremos una comprensión básica de lo que va bien en un cerebro sano ni de lo que va mal en la enfermedad", apunta John Ngai, director de la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud de EE UU (NIH), que ha financiado parcialmente el proyecto FlyWire.

En la imagen se ven las 50 neuronas más grandes del conectoma del cerebro de la mosca. / Tyler Sloan y Amy Sterling para FlyWire, Universidad de Princeton (Dorkenwald et al., Nature, 2024)

Vías de investigación futuras

Dado que los conectomas son cada vez más asequibles y rápidos de generar, es probable que se vea cómo el número de estos diagramas de cableado de moscas y otros animales pequeños se dispara en los próximos años.

"Conseguir un conectoma de ratón y, con el tiempo, un conectoma humano será increíblemente valioso. Podemos imaginarnos un mundo en el que podamos simular el cerebro de un ratón o, más allá, el de un ser humano, y obtener información fundamental sobre las causas de diversos trastornos mentales y sobre el funcionamiento del cerebro", insiste Shiu.

"A medida que modelicemos las neuronas cada vez mejor, podremos ser capaces de predecir cómo funciona el cerebro a una escala realmente impresionante", concluye el científico.

Referencias:

Sven Dorkenwald et al.: "Neuronal wiring diagram of an adult brain". Nature (2024)

Philipp Schlegel et al.: "Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosophila". Nature (2024)

Philip K. Shiu et al.: "A Drosophila computational brain model reveals sensorimotor processing". Nature (2024)

H. Sebastian Seung. "Predicting visual function by interpreting a neuronal wiring diagram". Nature (2024)

Dustin Garner et al.: "Connectomic reconstruction predicts visual features used for navigation". Nature (2024)

Albert Lin et al.: "Network statistics of the whole-brain connectome of Drosophila". Nature (2024)

Arie Matsliah et al.: "Neuronal parts list and wiring diagram for a visual system". Nature (2024)

Dean A. Pospisil et al.: "The fly connectome reveals a path to the effectome". Nature (2024)

Neha Sapkal et al.: "Neural circuit mechanisms underlying context-specific halting in Drosophila". Nature (2024)

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