Primer mapa de todas las neuronas del cerebro adulto de una mosca de la fruta
Publicado originalmente por UK Research and Innovation el 2 de octubre de 2024
Representación en 3D de las ~140.000 neuronas del cerebro de la mosca de la fruta. Fuente: Data source: FlyWire.ai; renderizado por Philipp Schlegel (Universidad de Cambridge/MRC LMB).
Se ha elaborado el primer diagrama de cableado de todas las neuronas de un cerebro adulto y de los 50 millones de conexiones entre ellas en una mosca de la fruta.
Este logro histórico ha sido llevado a cabo por una amplia colaboración internacional de científicos, denominada FlyWire Consortium, que incluye a investigadores del Laboratorio de Biología Molecular del MRC (en Cambridge, Reino Unido), la Universidad de Princeton, la Universidad de Vermont y la Universidad de Cambridge, ha sido publicado en un par de artículos en Nature.
El diagrama de las 139.255 neuronas del cerebro de la mosca adulta es el primero de un cerebro completo de un animal que puede andar y ver. Anteriormente se habían realizado diagramas de cerebros mucho más pequeños, como el de una larva de mosca de la fruta, con 3.016 neuronas, y el de un gusano nematodo, con 302 neuronas.
Representación en 3D de las ~140.000 neuronas del cerebro de la mosca de la fruta. Crédito: Fuente de datos: FlyWire.ai; renderización de Philipp Schlegel (Universidad de Cambridge/MRC LMB).
Los investigadores afirman que el mapa completo del cerebro de la mosca es un primer paso clave para completar cerebros de mayor tamaño. Dado que la mosca de la fruta es una herramienta habitual en la investigación, su mapa cerebral puede servir para avanzar en nuestra comprensión del funcionamiento de los circuitos neuronales.
El Dr. Gregory Jefferis, del Laboratorio de Biología Molecular del MRC y de la Universidad de Cambridge, que fue uno de los codirectores de la investigación, declaró: «Si queremos entender cómo funciona el cerebro, necesitamos una comprensión mecanicista para comprender cómo encajan todas las neuronas entre sí y permiten pensar. En la mayoría de los cerebros, no tenemos ni idea de cómo funcionan estas redes».
«Las moscas pueden hacer todo tipo de cosas complicadas, como andar, volar, navegar, y los machos cantan a las hembras. Los diagramas del cableado cerebral son un primer paso hacia la comprensión de todo lo que nos interesa: cómo controlamos nuestro movimiento, contestamos al teléfono o reconocemos a un amigo».
El Dr. Mala Murthy, de la Universidad de Princeton, que fue uno de los codirectores de la investigación, declaró: «Hemos puesto toda la base de datos abierta y a libre disposición de todos los investigadores. Esperamos que esto sea transformador para los neurocientíficos que intentan comprender mejor cómo funciona un cerebro sano».
«En el futuro, esperamos que sea posible comparar lo que ocurre cuando las cosas van mal en nuestros cerebros, por ejemplo, en las afecciones mentales».
Los cerebros no son copos de nieve
Los científicos descubrieron que había similitudes sustanciales entre el cableado de este mapa y otros anteriores a menor escala que habían cartografiado partes del cerebro de la mosca. Esto llevó a los investigadores a concluir que hay muchas similitudes en el cableado entre cerebros individuales, que cada cerebro no es una estructura única como un copo de nieve.
Al comparar su diagrama cerebral con diagramas anteriores de pequeñas áreas del cerebro, los investigadores también descubrieron que alrededor del 0,5% de las neuronas presentan variaciones de desarrollo que podrían provocar conexiones erróneas entre neuronas. Los investigadores afirman que éste será un importante campo de investigación futura para entender si estos cambios están relacionados con la individualidad o con trastornos cerebrales.
Elaboración del mapa
El cerebro de una mosca mide menos de un milímetro de ancho. Los investigadores partieron de un cerebro de hembra cortado en siete mil cortes de sólo 40 nanómetros de grosor cada uno, previamente escaneados mediante microscopía electrónica de alta resolución en el laboratorio de Davi Bock, codirector del proyecto y entonces en el Janelia Research Campus (EE.UU.).
Analizar más de 100 terabytes de datos de imagen (el equivalente al almacenamiento de 100 ordenadores portátiles normales) para extraer las formas de unas 140.000 neuronas y 50 millones de conexiones entre ellas es un reto demasiado grande para que los humanos lo completen manualmente. Los investigadores se basaron en la IA desarrollada en la Universidad de Princeton para identificar y mapear las neuronas y sus conexiones entre sí.
Sin embargo, la IA sigue cometiendo muchos errores en conjuntos de datos de este tamaño. El Consorcio FlyWire -formado por equipos de más de 76 laboratorios y 287 investigadores de todo el mundo, así como por voluntarios del público en general- empleó aproximadamente 33 años-persona en revisar minuciosamente todos los datos.
El Dr. Sebastian Seung, de la Universidad de Princeton, que fue uno de los codirectores de la investigación, declaró: «La cartografía de todo el cerebro ha sido posible gracias a los avances en computación de la IA; no habría sido posible reconstruir manualmente todo el diagrama de cableado. Es una muestra de cómo la IA puede hacer avanzar la neurociencia. El cerebro de la mosca es un hito en nuestro camino hacia la reconstrucción de un diagrama de cableado de todo el cerebro de un ratón».
Los investigadores también anotaron muchos detalles en el diagrama de cableado, como la clasificación de más de 8.000 tipos de células en todo el cerebro. Esto también permite a los investigadores seleccionar sistemas concretos dentro del cerebro para su estudio posterior, como las neuronas implicadas en la vista o el movimiento.
El Dr. Philipp Schlegel, primer autor de uno de los estudios, del Laboratorio de Biología Molecular del MRC, declaró: «Este conjunto de datos es un poco como Google Maps pero para cerebros: el diagrama de cableado en bruto entre neuronas sería como saber qué estructuras de las imágenes por satélite de la Tierra corresponden a calles y edificios».
«Identificar las neuronas y sus conexiones es como añadir al mapa los nombres de las calles y ciudades, los horarios de apertura de los comercios, los números de teléfono, las reseñas, etc.: se necesitan ambas cosas para que sea realmente útil».
Representación en 3D de las 75.000 neuronas del sistema visual de la mosca. Crédito: Fuente de datos: FlyWire.ai; renderización de Philipp Schlegel (Universidad de Cambridge/MRC LMB).
Simulación de la función cerebral
Este es también el primer mapa del cableado de todo el cerebro -a menudo llamado conectoma- que predice la función de todas las conexiones entre neuronas.
Las neuronas utilizan señales eléctricas para enviar mensajes. Cada neurona puede tener cientos de ramas que la conectan a otras neuronas. Los puntos en los que estas ramas se unen y transmiten señales entre neuronas se denominan sinapsis. Hay dos formas principales en que las neuronas se comunican a través de las sinapsis: excitatoria (que promueve la continuación de la señal eléctrica en la neurona receptora) o inhibitoria (que reduce la probabilidad de que la siguiente neurona transmita señales).
Los investigadores del equipo también utilizaron tecnología de exploración de imágenes de IA para predecir si cada sinapsis era inhibitoria o excitatoria.
El Dr. Jefferis añadió: «Para empezar a simular digitalmente el cerebro, necesitamos conocer no sólo su estructura, sino también cómo funcionan las neuronas para activarse y desactivarse entre sí».
«Utilizando nuestros datos, que se han compartido en línea mientras trabajábamos, otros científicos ya han empezado a intentar simular cómo responde el cerebro de la mosca al mundo exterior. Es un comienzo importante, pero necesitaremos recopilar muchos tipos de datos diferentes para producir simulaciones fiables de cómo funciona un cerebro.»
El profesor asociado Davi Bock, uno de los codirectores de la investigación, de la Universidad de Vermont, declaró: «El hiperdetalle de los datos de microscopía electrónica crea sus propios retos, especialmente a escala. Este equipo elaboró sofisticados algoritmos informáticos para identificar patrones de estructura y conectividad celular dentro de todo ese detalle.
«Ahora podemos elaborar mapas sinápticos precisos y utilizarlos para comprender mejor los tipos de células y la estructura de los circuitos de todo el cerebro. Esto nos llevará inevitablemente a comprender mejor cómo procesan, almacenan y recuerdan la información los sistemas nerviosos. Creo que este enfoque señala el camino a seguir para el análisis de los futuros conectomas de todo el cerebro, tanto en la mosca como en otras especies».
Esta investigación se llevó a cabo utilizando el cerebro de una mosca hembra. Dado que existen diferencias en la estructura neuronal de los cerebros masculinos y femeninos, los investigadores planean caracterizar también un cerebro masculino en el futuro.
Más información: Neuronal wiring diagram of an adult brain, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07558-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07558-y
Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosophila, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07686-5 , www.nature.com/articles/s41586-024-07686-5
Publicación: Nature
Proporcionado por UK Research and Innovation
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