Los científicos completan el primer mapa del cerebro de un insecto, un "logro histórico"

Los científicos han logrado crear un mapa de todo el cerebro de una larva de mosca de la fruta que muestra las 548.000 sinapsis del órgano. 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.

Se trata del mayor conectoma cerebral completo -diagrama de las conexiones neuronales- descrito hasta la fecha. Los detalles de la investigación, liderada entre otros por el español Albert Cardona, se publican en Science.

Detrás de esta laboriosa investigación que duró 12 años está un equipo de la Universidad Johns Hopkins (Estados Unidos) y de Cambridge (Reino Unido) -Cardona investiga en esta universidad-.

"Si queremos entender quiénes somos y cómo pensamos, parte de ello consiste en comprender el mecanismo del pensamiento", afirma Joshua T. Vogelstein, de la Johns Hopkins, para quien la clave está en saber cómo se conectan las neuronas entre sí.

El primer intento de cartografiar un cerebro -un estudio de 14 años sobre el gusano redondo iniciado en la década de 1970- dio como resultado un mapa parcial y un nobel.

Desde entonces, se han cartografiado conectomas parciales en muchos sistemas, como moscas, ratones e incluso seres humanos, pero estas reconstrucciones suelen representar solo una pequeña fracción del cerebro total, explica la Johns Hopkins.

Únicamente se han generado conectomas completos de varias especies pequeñas con unos pocos cientos o miles de neuronas: de gusano redondo, larva de ascidias y larva de anélido marino.

"Esto significa que la neurociencia ha funcionado en su mayor parte sin mapas de circuitos", resume Marta Zlatic, de la universidad británica. "Sin conocer la estructura de un cerebro, estamos adivinando cómo se implementan los cálculos, pero ahora podemos empezar a comprender de forma mecánica cómo funciona el cerebro", explica.

La tecnología actual -añade- aún no es lo bastante avanzada para cartografiar el conectoma de animales superiores como grandes mamíferos.

Sin embargo, "todos los cerebros son similares -son redes de neuronas interconectadas- y todos los cerebros de todas las especies tienen que realizar muchos comportamientos complejos: procesar información sensorial, aprender, seleccionar acciones, navegar por su entorno, elegir comida, reconocer a sus congéneres o escapar de depredadores".

El conectoma de la cría de mosca del vinagre, "Drosophila melanogaster", es el mapa más completo y extenso del cerebro de un insecto. Incluye 3.016 neuronas y todas las conexiones entre ellas: 548.000.

Para obtener una imagen completa a nivel celular de un cerebro es necesario dividirlo en cientos o miles de muestras de tejido individuales, todas las cuales tienen que ser analizadas con microscopios electrónicos antes del laborioso proceso de reconstruir las piezas, neurona por neurona, en un retrato completo y preciso de un cerebro.

El equipo eligió a propósito la larva de mosca del vinagre (o la fruta) porque, para ser un insecto, la especie comparte gran parte de su biología fundamental con los humanos, incluida una base genética comparable.

El trabajo duró 12 años; solo en la obtención de imágenes tardaron aproximadamente un día por neurona.

Los investigadores escanearon miles de cortes del cerebro de la larva utilizando un microscopio electrónico de alta resolución y reconstruyeron las imágenes resultantes en un mapa, anotando minuciosamente las conexiones entre neuronas.

Clasificaron cada neurona por la función que desempeña y descubrieron, por ejemplo, que los circuitos más activos del cerebro eran los que iban y venían de las neuronas del centro de aprendizaje.

También desarrollaron herramientas informáticas para identificar posibles vías de flujo de información.

El trabajo mostró características de circuitos que recordaban "sorprendentemente" a arquitecturas de aprendizaje automático, por eso el equipo espera que el estudio continuado pueda inspirar nuevos sistemas de inteligencia artificial.

"Lo que hemos aprendido sobre el código de la mosca del vinagre tendrá implicaciones para el código humano", afirma Vogelstein. "Eso es lo que queremos entender: cómo escribir un programa que conduzca a una red cerebral humana".

Para Juan Lerma, director del Centro Internacional de Neurociencias Cajal (CINC-CSIC), que no participa en el estudio, se trata este de "un salto no solo cuantitativo, sino también cualitativo, porque en el sistema nervioso nada es lineal".

"A mí me parece que es un trabajo fantástico que ha llevado muchos años desarrollar y que puede ser tremendamente útil para entender principios sofisticados de integración neuronal y reglas computacionales que pueden ser determinantes en el progreso de múltiples aspectos tan de moda hoy en día, como la inteligencia artificial y el aprendizaje profundo", señala a Science Media Centre España.

Conclusión

El conectoma cerebral completo de la larva de Drosophila será un estudio de referencia duradero, proporcionando una base para una multitud de estudios teóricos y experimentales de la función cerebral. El enfoque y las herramientas computacionales generadas en este estudio facilitarán el análisis de futuros conectomas. Aunque los detalles de la organización cerebral difieren en todo el reino animal, se conservan muchas arquitecturas de circuitos. A medida que se mapeen más conectomas cerebrales de otros organismos en el futuro, las comparaciones entre ellos revelarán arquitecturas de circuitos comunes y, por lo tanto, potencialmente óptimas, así como las idiosincrásicas que subyacen a las diferencias de comportamiento entre organismos. Algunas de las características arquitectónicas observadas en la Drosophila, incluidos los atajos de varias capas y los bucles recurrentes anidados destacados, se encuentran en las redes neuronales artificiales de última generación, donde pueden compensar la falta de profundidad de la red y admitir cálculos arbitrarios y dependientes de tareas. Por lo tanto, tales características podrían aumentar la capacidad computacional del cerebro, superando las limitaciones fisiológicas en el número de neuronas. El análisis futuro de las similitudes y diferencias entre los cerebros y las redes neuronales artificiales puede ayudar a comprender los principios computacionales del cerebro y quizás inspirar nuevas arquitecturas de aprendizaje automático.