Completan el primer mapa del cerebro de un insecto
El estudio servirá de base para futuras investigaciones sobre el cerebro
Un grupo de investigadores ha creado el mapa cerebral más avanzado hasta hoy, concretamente el de un insecto. Este es un logro histórico en neurociencia que acerca a los científicos a la verdadera comprensión del mecanismo del pensamiento, según publican en la revista 'Science'.
El equipo internacional dirigido por la Universidad John Hopkins (EE. UU.) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido) elaboró un diagrama asombrosamente detallado que traza cada conexión neuronal del cerebro de una mosca de la fruta larvaria, un modelo científico arquetípico con cerebros comparables a los de los humanos. Este estudio sienta un precedente para futuras investigaciones sobre el cerebro e inspirará nuevas arquitecturas de aprendizaje automático.
Comprender el mecanismo del pensamiento
"Si queremos entender quiénes somos y cómo pensamos, parte de ello consiste en comprender el mecanismo del pensamiento, y la clave para ello es saber cómo se conectan las neuronas entre sí", ha explicado el autor principal, Joshua T. Vogelstein, ingeniero biomédico de la John Hopkins especializado en proyectos basados en datos como la conectómica -el estudio de las conexiones del sistema nervioso-.
El primer intento de cartografiar un cerebro consistió en un estudio de 14 años iniciado en 1970 sobre el gusano redondo. Como resultado se obtuvo un mapa parcial y un Premio Nobel. Desde entonces se han cartografiado conectomas parciales en muchos sistemas -moscas, ratones e incluso seres humanos-, pero estas reconstrucciones suelen representar solo una pequeña fracción del cerebro total.
Solo se han generado conectomas completos de varias especies pequeñas con unos pocos cientos o miles de neuronas en sus cuerpos: un gusano redondo, una larva de ascidio y una larva de anélido marino. El conectoma de este equipo de una cría de mosca de la fruta es el mapa más completo y extenso jamás realizado del cerebro de un insecto. Incluye 3.016 neuronas y todas las conexiones entre ellas (548.000).
Un proceso complejo y preciso
Cartografiar cerebros completos no es tarea fácil y, además, conlleva mucho tiempo, incluso con una tecnología moderna. Para obtener una imagen completa a nivel celular es necesario dividir el cerebro en cientos o miles de muestras de tejido individuales, que deben ser analizadas con microscopios electrónicos antes del laborioso proceso de reconstruir todas esas piezas, neurona por neurona, en un retrato completo y preciso de un cerebro.
Se tardó más de una década en hacerlo con la cría de la mosca de la fruta. Aunque sienta un precedente, de momento no es probable intentarlo con un cerebro más parecido al humano, ya que solo el de un ratón es un millón de veces más grande que el de una mosca. Este insecto fue elegido para el estudio porque comparte gran parte de su biología fundamental con los humanos, incluida una base genética comparable.
También presenta un rico comportamiento de aprendizaje y toma de decisiones, lo que la convierte en un organismo modelo útil en neurociencia. A efectos prácticos, su cerebro relativamente compacto permite obtener imágenes y reconstruir sus circuitos en un plazo de tiempo razonable. Aun así, tardaron 12 años, y solo la obtención de imágenes llevó aproximadamente un día por neurona.
Trabajo en equipo
Los investigadores de Cambridge crearon las imágenes de alta resolución del cerebro y las estudiaron manualmente para encontrar neuronas individuales, trazando rigurosamente cada una y relacionando sus conexiones sinápticas. Estos datos los cedió a John Hopkins, donde pasaron más de tres años utilizando el código original para analizar la conectividad del cerebro.
El segundo equipo desarrolló técnicas para encontrar grupos de neuronas basándose en patrones de conectividad compartidos, y luego analizó cómo podía propagarse la información por el cerebro. Finalmente se realizó un gráfico de cada neurona y cada conexión y se clasificó cada neurona por la función que desempeña en el cerebro. Descubrieron que los circuitos más activos eran los que se dirigían y alejaban de las neuronas del centro de aprendizaje.
Métodos útiles que puede usar cualquier otro investigador
Los métodos desarrollados por John Hopkins son aplicables a cualquier proyecto de conexión cerebral, y su código está disponible para quien intente cartografiar un cerebro animal aún mayor, dijo Vogelstein. A pesar de los retos, se espera que los científicos se enfrenten al ratón, posiblemente en la próxima década, ha añadido. Otros equipos están trabajando en un mapa del cerebro adulto de la mosca de la fruta.
El co-primer autor, Benjamin Pedigo, doctorando en Ingeniería Biomédica de la John Hopkins, cree que el código del equipo puede ayudar a revelar importantes comparaciones entre las conexiones del cerebro adulto y el larvario. Espera también que sus técnicas de análisis permitan comprender mejor las variaciones en el cableado cerebral a medida que se generen conectomas de más larvas y otras especies similares.
Este trabajo mostró características de circuitos que recordaban sorprendentemente a arquitecturas de aprendizaje automático prominentes y potentes. El equipo espera que el estudio continuado revele aún más principio computacionales y pueda inspirar nuevos sitemas de inteligencia artificial.
"Lo que hemos aprendido sobre el código de la mosca de la fruta tendrá implicaciones para el código humano. Eso es lo que queremos entender: cómo escribir un programa que conduzca a una red cerebral humana", ha destacado Vogelstein.
