Hito de la neurociencia: crean el primer mapa de un cerebro adulto con todas sus conexiones neuronales

Los investigadores coordinados por el consorcio FlyWire han presentado por primera vez el mapa completo de conexiones neuronales de un individuo adulto. Se trata del atlas completo del cerebro de una mosca de la fruta adulta, incluyendo la totalidad de sus 139.255 neuronas y los 50 millones de enlaces entre ellas. Se trata de un paso de gigante, destacan los autores en una serie de artículos publicados hoy en Nature, desde la larva de la misma mosca, con 3.016 neuronas, y el gusano nematodo, con 302.

"Si queremos entender cómo funciona el cerebro, necesitamos comprender los mecanismos que hacen que las neuronas encajen y nos permiten pensar", explica Gregory Jefferis, del Laboratorio de Biología Molecular MRC y la Universidad de Cambridge, una de las sedes del consorcio. "Aún no sabemos cómo funcionan la mayoría de esas redes neuronales. Pero las moscas realizan varias tareas complicadas: andar, volar, orientarse, e incluso los machos le cantan a las hembras. Y los diagramas de conexiones nos permitirán entender lo interesante: cómo controlamos nuestros movimientos, hablamos por teléfono o reconocemos a un amigo".

Este conectoma -diagrama de conexiones- completo ha revelado similitudes con otros obtenidos anteriormente de regiones parciales del cerebro de la mosca. Esto lleva a los investigadores a inferir que estas estructuras se repiten de un individuo a otro, y la organización de las neuronas no es por lo tanto única en cada cual. Además, se detectó que cerca del 0,5% de estas células sufría variaciones en su desarrollo que potencialmente podrían provocar desconexiones, lo que a su vez podría vincularse a trastornos mentales o de personalidad.

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Dado que el cerebro completo de la mosca no supera un milímetro de anchura, los investigadores tuvieron que seccionar el órgano de una hembra en 7.000 láminas de un espesor de apenas 40 nanómetros. Estas láminas fueron escaneadas mediante microscopía electrónica de alta resolución en el laboratorio de Davi Bock en el campus de Investigación Janelia en EEUU. Se obtuvieron así más de 100 terabits de datos, un volumen demasiado amplio para analizar a mano. Por tanto, se introdujo un programa de inteligencia artificial desarrollada en la Universidad de Princeton.

Sin embargo, los investigadores tuvieron que revisar los resultados de los cálculos hechos por la AI, lo que involucró a 287 personas en 76 laboratorios de todo el mundo, además de voluntarios reclutados entre la sociedad civil. "Trazar el mapa completo de un cerebro solo ha sido posible gracias a los avances en los cálculos por inteligencia artificial", explica Sebastian Seung, de Princeton. "No habría sido posible reconstruir el diagrama por entero a mano. Y el cerebro de la mosca es un peldaño en el camino para recomponer el cerebro completo de un ratón".

Neuronas de la mosca de la fruta renderizadas.

Con el conectoma establecido, los participantes en el proyecto lograron clasificar más de 8.000 células diferentes en todo el cerebro. Estas neuronas emplean señales eléctricas para transmitir mensajes a través de ramificaciones denominadas sinapsis. Existen dos modos de comunicación: la excitatoria, que fomenta que el mensaje pase a nuevas sinapsis, y la inhibitoria, que reduce las probabilidades de que se transmita. La tecnología de escaneado mediante inteligencia artificial les permitió anticipar cuál sería la naturaleza de cada una de las sinapsis. 

"El nivel hiperdetallado que permite el microscopio electrónico también crea problemas específicos", explica Bock. "El equipo tuvo que redactar sofisticados algoritmos de software para identificar patrones estructurales y de conectividad con todo detalle a esa escala. Ahora podemos trazar mapas sinápticos precisos y usarlos para entender mejor tanto los tipos de células como la estructura de los circuitos a escala completa del cerebro".

Dado que existen diferencias morfológicas con el macho, el siguiente paso será caracterizar un cerebro del sexo opuesto. "Esto nos llevará inevitablemente a entender mejor cómo los sistemas nerviosos procesan, almacenan y recuperan la información", concluye Bock. "Este enfoque nos muestra el camino para los futuros análisis de conectomas de un cerebro completo, tanto en la mosca como en otras especies".