Mapean las 3 mil 016 neuronas de una mosca

La revista Science acaba de publicar el mapa del cerebro más avanzado que tenemos hasta ahora, el único que muestra cada neurona y cómo están conectadas entre sí.

Los cerebros son redes de neuronas interconectadas y todos los cerebros de todas las especies tienen que realizar comportamientos complejos, como navegar por su entorno, elegir comida o escapar de depredadores. Ahora, un equipo científico ha conseguido completar el primer mapa cerebral de un insecto.

Esta representación del cableado neuronal del cerebro de una larva de mosca del vinagre es, según sus responsables, un “logro histórico” para la neurociencia, que acerca a los científicos a “la verdadera comprensión” del mecanismo del pensamiento, abre la puerta a futuras investigaciones sobre el cerebro e inspirará nuevas arquitecturas de aprendizaje automático.

El avance es un logro histórico para la neurociencia, aunque sea el cerebro de la larva de la mosca de la fruta (Drosophila), un organismo que se utiliza como modelo para estudiar cuestiones básicas en biología. Tras más de una década de trabajo, esta investigación muestra las 3 mil 16 neuronas de este órgano y una espectacular cantidad de interacciones entre ellas: 548 mil sinapsis.

Los científicos creen que este primer conectoma de un cerebro realmente complejo puede revolucionar otros campos, como el de la informática, por su influencia en las redes neuronales artificiales, y permitir avances frente a las enfermedades neurodegenerativas.

“Es un proyecto heroico, que nos ha llevado una década”, explica en declaraciones a Teknautas el español Albert Cardona, de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), que ha dirigido el proyecto.

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A partir de centenares de miles de imágenes sueltas de microscopía electrónica y con el software adecuado para reconstruirlas en un volumen continuo, este investigador calculó que tardaría en mapear el cerebro al completo unos 50 años de trabajo, así que invitó a decenas de grupos de investigación de todo el mundo para que colaboraran.

“Llegamos a hacer 600 neuronas del cerebro para los sistemas de memoria, olfativo, visual y de temperatura; pero quedaban más de 2 mil neuronas en las que nadie estaba interesado, así que nos tocó a mí y a mi esposa”, explica.

Su mujer es la croata Marta Zlatic, que pertenece al mismo centro de investigación y firma el trabajo junto a él y a otros investigadores británicos y estadounidenses, con un papel destacado para la Johns Hopkins University.

“Los estudiantes de posgrado, junto a nosotros, son los que han hecho gran parte de este trabajo delicado, de mucha gente y a lo largo de mucho tiempo para llenar el cerebro de todas las reconstrucciones de cada una de las neuronas, que se han hecho a mano con la ayuda de programas de software”, comenta.

¿En qué consiste todo este trabajo? Remontándonos al principio, “hay que diseccionar el sistema nervioso entero, se fija, se tiñe con metales pesados, se deshidrata y se pone en resina, de forma que acaba siendo tan duro como una piedra y se puede cortar en rodajas”, señala el autor.

En este caso, miles de cortes que solo miden 40 nanómetros (un milímetro es un millón de nanómetros) y que se analizan con un avanzado microscopio electrónico de transmisión, en el que los electrones van dibujando las imágenes que describen todas las estructuras celulares.

Sin embargo, la clave está en unir esas “rodajas de neuronas” por medio de un software que permite reconstruir el cerebro de Drosophila “como si fuera Google Maps, pero navegando en 3D”.

De esta forma, pueden seguir todo el árbol neuronal, anotando todas y cada una de las conexiones de cada célula del cerebro. En cada neurona invierten entre ocho y 16 horas de trabajo. El problema es que había más de 3 mil y después tenían que describir cómo se transmiten las señales nerviosas, explicar el funcionamiento de todo el cableado, tal y como aparece en el artículo de Science.

Hasta ahora sólo se había realizado tres conectomas que corresponden a sistemas nerviosos compuestos por apenas unos cientos de neuronas y muy pocas sinapsis: el nematodo Caenorhabditiselegans; el organismo Cionaintestinalis, interesante por ser un pariente lejano de los vertebrados; y la larva del anélido marino Platynereisdumerilii.

Sin embargo, esta es la primera vez que se mapea al completo un verdadero cerebro, con las características que atribuimos a este órgano, ya que tiene entradas sensoriales directas de visión y de olfato, cuenta con memoria asociativa y permite al animal moverse en función de sus intereses.

¿Y qué nos dice este mapa una vez elaborado? Varias cosas llaman la atención de los neurobiólogos. Por ejemplo, las estructuras cerebrales relacionadas con el sistema de memoria asociativa.

“Es lo que nos permite asociar, por ejemplo, un olor y el concepto de comida nutritiva”, explica el científico de Cambridge. Pues bien, ese sistema había sido descrito de forma aislada por el propio Cardona y otros colegas, pero ahora que han analizado todo el conjunto de neuronas que interactúan con él, se dan cuenta de que es muy recurrente.

“Hay muchos bucles de neuronas que recogen señales de ese sistema de memoria asociativa, van a otro sitio del cerebro y luego vuelven”, comentan.

Lo curioso es que esto está relacionado con el desarrollo de la inteligencia artificial. Las redes neuronales artificiales, que ya están presentes en muchos dispositivos electrónicos, como los móviles, tienen arquitecturas como las llamadas redes neuronales recurrentes con bucles similares que las hacen más potentes.

Los informáticos logran mayor capacidad de computación con redes mucho más pequeñas. Lo mismo ocurre con las llamadas skipconnections, otra forma de aumentar la capacidad de computación que consiste en conectar distintas capas por medio de saltos. Pues bien, el cerebro de esta larva de mosca también conecta así sus neuronas.

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“Tiene dos de los trucos que los informáticos se han inventado para incrementar la capacidad de computación”, bucles y saltos. Está claro que “la biología, a través de la evolución, ha encontrado una estructura eficiente”, apunta el científico español.

Por lo tanto, las aplicaciones de este trabajo en el mundo de la computación pueden ser relevantes.

“Supone entender cómo puedes hacer un sistema autónomo que integre estímulos muy diferentes, un sistema de memoria de asociaciones buenas y malas, y coordinar un sistema motor”, explica Cardona.

A la hora de resolver la toma de decisiones por parte de sistemas de inteligencia artificial, parece que todas las respuestas pueden estar en el cerebro, donde las neuronas se ponen de acuerdo para decidir cómo actuar.

*IR