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

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Drosophila melanogaster

El cerebro de una mosca de la fruta es del tamaño de una semilla de amapola y casi igual de fácil de pasar por alto.

“Creo que la mayoría de la gente ni siquiera piensa que la mosca tiene cerebro”, dijo Vivek Jayaraman, neurocientífico del Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Virginia. «Pero, por supuesto, las moscas llevan vidas bastante ricas».

Las moscas son capaces de comportamientos sofisticados. Y sus cerebros del tamaño de una mota son tremendamente complejos, contienen alrededor 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 investigadores de Google, ha estado mapeando estas neuronas y sinapsis en un esfuerzo por crear un diagrama de cableado completo, también conocido como conectoma, del cerebro de la mosca de la fruta.

El trabajo requiere mucho tiempo y es caro, incluso con la ayuda de algoritmos de aprendizaje automático de última generación. Pero los datos que han publicado hasta ahora son asombrosos en su detalle, componiendo un atlas de neuronas nudosas en muchas áreas cruciales del cerebro de la mosca.

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

Al analizar el conectoma de solo una pequeña parte del cerebro de la mosca, el complejo central, que desempeña un papel importante en la navegación, Jayaraman y sus colegas identificaron docenas de nuevos tipos de neuronas y señalaron circuitos neuronales que parecen ayudar a las moscas a atravesar el mundo. El trabajo podría ayudar a proporcionar información sobre cómo todo tipo de cerebros de animales, incluido el nuestro, procesan una avalancha de información sensorial y la traducen en acciones adecuadas.

También es una prueba de principios para el campo joven de la conectómica moderna, que se construyó con la promesa de que la construcción de diagramas detallados del cableado del cerebro generaría dividendos científicos.

«Es realmente extraordinario», dijo el Dr. Clay Reid, investigador principal del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro en Seattle, sobre el nuevo artículo. «Creo que cualquiera que lo mire dirá que la conectómica es una herramienta que necesitamos en neurociencia, punto final».

El único conectoma completo en el reino animal pertenece a la humilde lombriz intestinal, C. elegans. La bióloga Sydney Brenner, que luego ganaría un premio Nobel, inició el proyecto en la década de 1960. Su pequeño equipo pasó años en ello, usando bolígrafos de colores para rastrear las 302 neuronas a mano.

Cuando se inauguró el Campus de Investigación Janelia en 2006, Gerald Rubin, su director fundador, puso su mirada en la mosca de la fruta.

Varios equipos diferentes en Janelia se han embarcado en proyectos de conectoma de moscas en los años posteriores, pero el trabajo que condujo al nuevo artículo comenzó en 2014, con el cerebro de una sola mosca de la fruta hembra de 5 días.

Los investigadores cortaron el cerebro de la mosca en placas y luego utilizaron una técnica conocida como microscopía electrónica de barrido por haz de iones enfocados para obtener imágenes, capa por capa minuciosa. El microscopio funcionó esencialmente como una lima de uñas diminuta y precisa, limando una capa extremadamente delgada del cerebro, tomando una foto del tejido expuesto y luego repitiendo el proceso hasta que no quedara nada.

«Estás imaginando y cortando al mismo tiempo pequeñas porciones del cerebro de la mosca, por lo que no existen después de que hayas terminado», dijo Jayaraman.

Luego, el equipo utilizó un software de visión por computadora para unir los millones de imágenes resultantes en un solo volumen 3D y lo envió a Google. Allí, los investigadores utilizaron algoritmos avanzados de aprendizaje automático para identificar cada neurona individual y rastrear sus ramas retorcidas.

Finalmente, el equipo de Janelia utilizó herramientas computacionales adicionales para identificar las sinapsis, y los investigadores humanos revisaron el trabajo de las computadoras, corrigieron errores y refinaron los diagramas de cableado.

El año pasado, los investigadores publicaron el conectoma para lo que llamaron el «hemibrain», una gran parte del cerebro central de la mosca, que incluye regiones y estructuras que son cruciales para el sueño, el aprendizaje y la navegación.

El conectoma, al que se puede acceder de forma gratuita en línea, incluye unas 25.000 neuronas y 20 millones de sinapsis, mucho más que el C. elegans conectoma.

«Es una ampliación espectacular», dijo Cori Bargmann, neurocientífico de la Universidad Rockefeller en Nueva York. «Este es un gran paso hacia el objetivo de desarrollar la conectividad del cerebro».

Una vez que el conectoma del hemibrain estuvo listo, Jayaraman, un experto en neurociencia de la navegación con mosca, estaba ansioso por sumergirse en los datos del complejo central.

La región del cerebro, que contiene casi 3.000 neuronas y está presente en todos los insectos, ayuda a las moscas a construir un modelo interno de su relación espacial con el mundo y luego seleccionar y ejecutar comportamientos apropiados para sus circunstancias, como buscar comida.

«¿Me estás diciendo que puedes darme el diagrama de cableado para algo como esto?» Dijo Jayaraman. «Esto es mejor espionaje industrial de lo que podría obtener obteniendo información sobre el iPhone de Apple».

Los investigadores plantean la hipótesis de que los cerebros de las moscas pueden estar conectados para priorizar la información sobre el entorno global cuando están navegando, pero también que estos circuitos son flexibles, de modo que cuando dicha información es inadecuada, pueden prestar más atención a las características locales del paisaje.

Otros miembros del equipo de investigación identificaron vías neuronales específicas que parecen adecuadas para ayudar a la mosca a realizar un seguimiento de la orientación de su cabeza y cuerpo; anticipar su orientación futura y dirección de viaje; calcular su orientación actual en relación con otra ubicación deseada; y luego muévete en esa dirección.

Imagine, por ejemplo, que una mosca hambrienta abandona temporalmente un plátano podrido para ver si puede hacer crujir algo mejor. Pero después de unos minutos de exploración (literalmente) infructuosos, quiere volver a su comida anterior.

Los datos del conectoma sugieren que ciertas células cerebrales, técnicamente conocidas como neuronas PFL3, ayudan a la mosca a realizar esta maniobra. Estas neuronas reciben dos entradas críticas: reciben señales de las neuronas que rastrean la dirección en la que se dirige la mosca, así como de las neuronas que pueden estar controlando la dirección del plátano.

Después de recibir esas señales, las neuronas PFL3 envían su propio mensaje a un conjunto de neuronas giratorias que hacen que la mosca se desvíe en la dirección correcta. Se sirve la cena, de nuevo.

“Ser capaz de rastrear esa actividad a través de ese circuito, desde el sensor hasta el motor a través de este complejo circuito intermedio, es realmente asombroso”, dijo Brad Hulse, un científico investigador en el laboratorio de Jayaraman que dirigió esta parte del análisis. El conectoma, agregó, “nos mostró mucho más de lo que pensábamos”.

Y el artículo del grupo, cuyo borrador incluye 75 cifras y se extiende hasta 360 páginas, es solo el comienzo.

«Realmente proporciona esta verdad fundamental para explorar más esta región del cerebro», dijo Stanley Heinze, experto en neurociencia de insectos en la Universidad de Lund en Suecia. «Es enormemente impresionante».

Uno podría haber preguntado, algunos lo hicieron, por qué son importantes los circuitos cerebrales de una mosca de la fruta.

“Me preguntan mucho sobre esto en las vacaciones”, dijo Hulse.

Las moscas no son ratones, ni chimpancés ni humanos, pero sus cerebros realizan algunas de las mismas tareas básicas.. Comprender los circuitos neuronales básicos de un insecto podría proporcionar pistas importantes sobre cómo otros cerebros animales abordan problemas similares, dijo David Van Essen, neurocientífico de la Universidad de Washington en St. Louis.

Obtener una comprensión profunda del cerebro de la mosca «también nos brinda conocimientos que son muy relevantes para la comprensión del cerebro y el comportamiento de los mamíferos, e incluso de los humanos», dijo.

Crear conectomas de cerebros más grandes y complejos será un desafío enorme. El cerebro del ratón contiene aproximadamente 70 millones de neuronas, el cerebro humano la friolera de 86 mil millones.

Pero el artículo del complejo central decididamente no es único; Se están preparando estudios detallados de conectomas humanos y de ratones regionales, dijo Reid: «Hay mucho más por venir».

Editores de revistas, considérense advertidos.

Este artículo apareció originalmente en Los New York Times.



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