Se obtiene el mapa gigante del cerebro de la mosca. El primero de un animal complejo.

Por Miryam Naddaf. Publicado en Nature, el 10 de marzo de 2023 (En portada una micrografía electrónica de barrido en color de la cabeza de una mosca de la fruta sobre un fondo negro. La mosca de la fruta Drosophila melanogaster es un importante organismo modelo. Crédito: Eye of Science/Science Photo Library)

El «conectoma» de la mosca de la fruta ayudará a los investigadores a estudiar cómo funciona el cerebro y podría comprender mejor las enfermedades neurológicas.

Los científicos han generado el primer mapa completo del cerebro de un pequeño insecto, incluidas todas sus neuronas y conexiones sinápticas.

La investigación, publicada el 9 de marzo en Science (1), proporciona por primera vez un diagrama de cableado cerebral conocido como el conectoma de un animal complejo: la mosca de la fruta Drosophila melanogaster. El mapa muestra las 3.016 neuronas y las 548.000 sinapsis apretadas en el cerebro de una Drosophila joven, que es más pequeña que una semilla de amapola.

El mapa es un hito en la comprensión de cómo el cerebro procesa el flujo de información sensorial y lo traduce en acción. “Ahora tenemos un cerebro de referencia”, dice Marta Zlatic, neurocientífica de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y coautora del artículo. “Podemos observar lo que sucede con la conectividad en modelos de las enfermedades de Alzheimer y Parkinson y de cualquier enfermedad degenerativa”.

Modelo ideal

Hasta ahora, los científicos habían mapeado los conectomas solo de los gusanos Caenorhabditis elegans y Platynereis dumerilii, y la larva de la ascidia Ciona intestinalis. Drosophila fue un modelo ideal para los estudios de conectoma, porque los científicos ya han secuenciado su genoma y las larvas tienen cuerpos transparentes. Las moscas de la fruta también exhiben comportamientos sofisticados, que incluyen aprender, navegar por paisajes, procesar olores y sopesar los riesgos y beneficios de una acción. “Su tamaño es manejable para la tecnología actual”, dice Chung-Chuang Lo, neurocientífico computacional de la Universidad Nacional Tsing Hua en Hsinchu, Taiwán.

“Si me hubieras preguntado en los años ochenta, cuando se estaba haciendo el trabajo de C. elegans, sobre este proyecto en la mosca de la fruta, hubiera sido imposible”, dice Albert Cardona, neurocientífico de la Universidad de Cambridge y coautor del papel.

El diagrama adjunto muestra la conectividad en el cerebro de la mosca de la fruta. Cada punto representa una neurona. Las neuronas con conectividad más similar se trazan más juntas. Las líneas muestran las conexiones entre las neuronas. El borde muestra ejemplos de diferentes estructuras y formas de neuronas. Crédito: Benjamin Pedigo.

Los investigadores pasaron un año y medio capturando imágenes del cerebro de una única larva de Drosophila de seis horas de edad con un microscopio electrónico de resolución nanométrica. Usando un programa asistido por computadora, identificaron las neuronas y las sinapsis y pasaron meses revisándolas manualmente.

Los autores identificaron 3.016 neuronas, el 93% de las cuales estaban emparejadas con una neurona asociada en el hemisferio cerebral opuesto. La mayoría de las neuronas desapareadas eran células de Kenyon, neuronas clave en el centro de aprendizaje y memoria.

Luego, los investigadores rastrearon las conexiones de torsión de cada neurona y anotaron 548,000 sinapsis, que podrían agruparse en cuatro tipos. «Esto requiere mucho tiempo y trabajo», dice Kei Ito, neurocientífico de la Universidad de Colonia, Alemania.

La mayoría de los trabajos sobre conectomas han incluido un tipo de conexión, desde el axón de una neurona hasta las dendritas de otra, e ignorado las conexiones de axón a axón o de dendrita a dendrita. “Ahora debemos reconsiderarlos: probablemente debamos pensar en crear un nuevo modelo computacional del sistema nervioso”, dice Lo.

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Múltiples caminos

El diagrama de cableado mostró que el cerebro del insecto tenía varias capas, con vías de diferentes longitudes que conectaban las entradas y salidas del cerebro.

Es «una estructura agradable y anidada», dice Michael Winding, neurocientífico de la Universidad de Cambridge y coautor del artículo. Pero algunas de las redes cerebrales tienen atajos, saltándose capas. Los autores sugieren que tales atajos aumentan la capacidad computacional del cerebro y compensan el número limitado de neuronas.

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El equipo también descubrió que el 41% de las neuronas del cerebro forman «bucles recurrentes», proporcionando retroalimentación a sus socios aguas arriba. Estos atajos y bucles se parecen a las redes neuronales artificiales de última generación que se utilizan en la investigación de inteligencia artificial. “Es interesante que el campo de la informática esté convergiendo en lo que ha descubierto la evolución”, dice Cardona.

El mapa actual proporciona datos de un solo animal, pero los autores dicen que los avances tecnológicos permitirán el mapeo de más moscas y, eventualmente, de otras especies. “Ahora se puede usar para entrenar el aprendizaje automático para que lo haga mucho más rápido”, dice Zlatic.

“No es la historia completa”, dice Lo. El siguiente paso es mapear el cerebro de la Drosophila adulta, que es más complejo y tiene más neuronas, agrega.

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-00709-7

ACTUALIZACIONES Y CORRECCIONES

• Corrección del 10 de marzo de 2023: una versión anterior de este artículo afirmaba incorrectamente que el equipo usó algoritmos de aprendizaje automático para rastrear las conexiones de cada neurona.

Referencias

1. Winding, M. et al. Science 379, eadd9330 (2023).