Crean el primer mapa completo de un cerebro adulto animal: casi 140.000 neuronas y sus millones de conexiones

Madrid

Es la primera vez en la historia que 287 científicos de un centenar de laboratorios han logrado realizar el primer mapa completo de todas las neuronas (y sus millones de conexiones) en el cerebro adulto de un animal que puede ver y caminar. Se trata del cerebro de la mosca de la fruta, una especie muy utilizada como modelo de biología en todo el mundo.

Este avance histórico ha sido realizado por un gran grupo internacional de investigadores, que trabajan en centros tan importantes como la Universidad norteamericana de Princeton o la británica de Cambridge y cuyos resultados publica hoy la revista Nature.

Este mapa contiene las (exactamente) 139.255 neuronas que alberga el cerebro de una mosca adulta, y es un gran salto porque, hasta ahora, sólo se había podido mapear, de forma completa, estructuras cerebrales mucho más pequeños, como el de una larva de mosca de la fruta, que tiene sólo 3.000 neuronas, y el de un gusano nematodo, que tiene 302 neuronas.

Gran objetivo: el cerebro humano

Este grupo internacional de científicos afirma que el primer mapa cerebral completo de la mosca es sólo un nuevo paso clave para poder realizar el del ser humano. De hecho, como la mosca de la fruta es una herramienta común en la investigación, su mapa cerebral puede utilizarse ya para avanzar en nuestra comprensión de cómo funcionan los circuitos neuronales de los seres humanos.

El doctor Gregory Jefferis, trabaja en la Universidad de Cambridge y es uno de los codirectores de este gran proyecto, y advierte que "si queremos entender cómo funciona el cerebro, necesitamos una comprensión mecanicista de cómo todas las neuronas encajan entre sí y te permiten pensar. En el caso de la mayoría de los cerebros, no tenemos idea de cómo funcionan estas redes.

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Cerebro mosca, pero complicado

Las moscas pueden hacer muchas actividades que son complicadas, como caminar, volar, orientarse y, además, los machos son capaces de cantar a las hembras. Por esa razón, haber realizado el primer diagrama de su intrincado cableado cerebral es "un primer paso para comprender todo lo que nos interesa: cómo controlamos nuestro movimiento, respondemos el teléfono o reconocemos a un amigo" subraya este científico británico. Además, los millones de valiosos datos que contiene este primer mapa ya están disponibles para todos los investigadores, de forma gratuita y abierta.

"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 sucede cuando las cosas van mal en nuestro cerebro, por ejemplo, en los trastornos de salud mental" explica la investigadora de la Universidad de Princeton, que ha coliderado este proyecto pionero.

Nuevos descubrimientos

Los científicos descubrieron que existían similitudes sustanciales entre el cableado de este mapa y los trabajos previos a menor escala que habían cartografiado partes del cerebro de la mosca.

Esto llevó a los investigadores a concluir que existen 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 áreas pequeñas del cerebro, los investigadores también descubrieron que alrededor del 0,5% de las neuronas presentan variaciones de desarrollo que podrían provocar que las conexiones entre neuronas estén mal conectadas.

Los investigadores afirman que este será un área importante para futuras investigaciones para comprender si estos cambios están relacionados con la individualidad o con trastornos cerebrales.

Elaboración del mapa

El cerebro de una mosca entera mide menos de un milímetro de ancho. Los investigadores comenzaron con un cerebro de hembra cortado en 7.000 rebanadas, cada una de solo 40 nanómetros de espesor, que fueron escaneadas previamente con microscopio electrónico de alta resolución

Este trabajo ya produjo más de 100 terabytes de datos de imágenes (equivalentes al almacenamiento de 100 ordenadores portátiles) para poder extraer las formas de aproximadamente 140.000 neuronas y 50 millones de conexiones.

Y este análisis es tan complicado que los investigadores tuvieron que recurrir a un sistema de inteligencia artificial desarrollado en la Universidad de Princeton para identificar y mapear las neuronas y sus conexiones entre sí.

Corrección humana de errores

Sin embargo, la IA aún comete muchos errores en conjuntos de datos de este tamaño. Y, por esa razón, en este Consorcio internacional, llamado FlyWire, han trabajado 287 investigadores de todo el mundo en equipos de más de 76 laboratorios. Además, también tuvieron que pedir la colaboración de un buen número de voluntarios de todo el mundo para poder revisar minuciosamente todos los datos.

"El mapeo de todo el cerebro ha sido posible gracias a los avances en la computación de IA, ya que; no habría sido posible reconstruir todo el diagrama de cableado manualmente. Esto es una muestra de cómo la IA puede hacer avanzar la neurociencia", asegura el doctor Sebastian Seung, de la Universidad de Princeton, uno de los líderes de la investigación.

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 específicos dentro del cerebro para su posterior estudio, 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, afirmó: "Este conjunto de datos es un poco como Google Maps, pero para el cerebro: el diagrama de cableado entre neuronas es como saber qué estructuras en las imágenes satelitales de la Tierra corresponden a calles y edificios. Anotar neuronas es como agregar los nombres de calles y ciudades, horarios de apertura de negocios, números de teléfono, reseñas, etc. al mapa: se necesitan ambas cosas para que sea realmente útil".

También las funciones

A este mapa también se le llama Conectoma, porque el primer mapa del cableado completo del cerebro también es capaz de predecir la función de todas las conexiones entre las miles de neuronas.

Esta investigación se llevó a cabo utilizando el cerebro de una mosca hembra. Dado que existen diferencias en la estructura neuronal entre los cerebros de las moscas macho y hembra, los investigadores planean caracterizar también un cerebro masculino en el futuro.

Sin embargo, el próximo gran salto está ya también definido: reconstruir el diagrama del "cableado" de todo el cerebro de un ratón.