Se completa el primer mapa de cableado del cerebro de un insecto

Esto ayudará a los científicos a comprender los principios básicos por los cuales las señales viajan a través del cerebro a nivel neuronal y conducen al comportamiento y al aprendizaje.

El sistema nervioso de un organismo, incluido el cerebro, está formado por neuronas que están conectadas entre sí a través de sinapsis. La información en forma de sustancias químicas pasa de una neurona a otra a través de estos puntos de contacto.

El mapa de las 3016 neuronas que componen la larva de la mosca de la fruta drosófila melanogasterEl cerebro y los circuitos detallados de las vías neuronales dentro de él se conocen como «conectoma».

Este es el conectoma cerebral completo más grande jamás mapeado. Es un gran avance en el trabajo previo para mapear estructuras cerebrales muy simples, incluido el gusano redondo. C.elegansque solo tiene varios cientos de neuronas.

La obtención de imágenes de cerebros completos ha sido hasta hace poco un gran desafío. Ahora, los avances tecnológicos permiten a los científicos obtener imágenes de todo el cerebro de las larvas de mosca de la fruta con relativa rapidez mediante microscopía electrónica y reconstruir los circuitos cerebrales a partir de los datos resultantes.

La larva de la mosca de la fruta tiene estructuras cerebrales similares a las de la mosca de la fruta adulta y los insectos más grandes, y tiene un rico repertorio de comportamiento, que incluye el aprendizaje y la selección de acciones.

“La forma en que está estructurado el circuito cerebral influye en los cálculos que puede hacer el cerebro. Pero, hasta este punto, no hemos visto la estructura de ningún cerebro excepto en organismos muy simples”, dijo la profesora Marta Zlatic del Departamento de Zoología de la Universidad de Cambridge y el Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica (MRC LMB).

Zlatic dirigió la investigación junto con el profesor Albert Cardona del Departamento de Fisiología, Desarrollo y Neurociencia de la Universidad de Cambridge y el MRC LMB, y el Dr. Michael Winding del Departamento de Zoología de la Universidad de Cambridge. El estudio, en el que también participaron colaboradores del Reino Unido y los EE. UU., se publica hoy en la revista Ciencia.

Ella agregó: “Hasta ahora, los patrones de circuito reales involucrados en la mayoría de los cálculos cerebrales han sido desconocidos. Ahora podemos comenzar a obtener una comprensión mecánica de cómo funciona el cerebro”.

La tecnología actual aún no está lo suficientemente avanzada como para mapear el conectoma de animales más complejos, como los grandes mamíferos. Pero debido a que todos los cerebros involucran redes de neuronas interconectadas, los investigadores dicen que su nuevo mapa será una referencia duradera para futuros estudios de la función cerebral en otros animales.

“Todos los cerebros de todas las especies tienen que realizar muchos comportamientos complejos: por ejemplo, todos necesitan procesar información sensorial, aprender, elegir alimentos y navegar en su entorno. De la misma manera que los genes se conservan en todo el reino animal, creo que los patrones de circuitos básicos que impulsan estos comportamientos fundamentales también se conservarán”, dijo Zlatic.

Para construir una imagen del conectoma de la larva de la mosca de la fruta, el equipo utilizó miles de cortes del cerebro de la larva captados con un microscopio electrónico de alta resolución para reconstruir un mapa del cerebro de la mosca, y anotó minuciosamente las conexiones entre las neuronas. Además de mapear las 3016 neuronas, mapearon la increíble cantidad de 548 000 sinapsis.

Los investigadores también desarrollaron herramientas computacionales para identificar vías probables de flujo de información y diferentes tipos de patrones de circuitos en el cerebro del insecto. Descubrieron que algunas de las características estructurales son similares a la arquitectura de aprendizaje profundo de última generación.

“El aspecto más desafiante de este trabajo fue comprender e interpretar lo que vimos. Nos enfrentábamos a un circuito neuronal complejo con mucha estructura. En colaboración con los grupos del profesor Priebe y del profesor Vogestein en la Universidad Johns Hopkins, desarrollamos herramientas computacionales para predecir los comportamientos relevantes de las estructuras. Al comparar este sistema biológico, también podemos inspirar potencialmente mejores redes artificiales”, dijo Zlatic.

“Este es un trabajo emocionante y significativo de colegas del Laboratorio de Biología Molecular del MRC y otros”, dijo Jo Latimer, Jefe de Neurociencias y Salud Mental en el Consejo de Investigación Médica.

Ella agregó: “No solo mapearon cada neurona en el cerebro del insecto, sino que también descubrieron cómo se conecta cada neurona. Este es un gran paso adelante para abordar preguntas clave sobre cómo funciona el cerebro, en particular, cómo se mueven las señales a través de las neuronas y las sinapsis que conducen al comportamiento, y esta comprensión detallada puede conducir a intervenciones terapéuticas en el futuro”.

El siguiente paso es profundizar para comprender, por ejemplo, los circuitos cerebrales necesarios para funciones de comportamiento específicas, como el aprendizaje y la toma de decisiones, y observar la actividad en todo el conectoma mientras el insecto está haciendo cosas.

Adaptado de un comunicado de prensa del Medical Research Council

Referencia

Winding, M. et al: ‘El conectoma del cerebro de un insecto’. Ciencia, 10 de marzo de 2023. DOI: 10.1126/science.add9330

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