Crean el primer mapa de las conexiones neuronales de un cerebro adulto

Una colaboración internacional, el Consorcio Flywire, ha completado el primer diagrama de cableado de cada neurona en un cerebro adulto y de las 50 millones de conexiones entre ellas para una mosca de la fruta.

El diagrama de las 139.255 neuronas del cerebro de una mosca adulta es el primero de un cerebro completo para un animal que puede caminar y ver. Esfuerzos anteriores han completado los diagramas de cerebro completo para cerebros mucho más pequeños, por ejemplo, para el de una larva de mosca de la fruta, que tiene 3.016 neuronas o un gusano nematodo, que tiene 302 neuronas.

Los investigadores, que publican su logro en Nature, dicen que el mapa completo del cerebro de la mosca es un primer paso clave para completar cerebros más grandes. Dado que la mosca de la fruta es una herramienta común en la investigación, su mapa cerebral puede utilizarse para avanzar en nuestra comprensión de cómo funcionan 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, dijo en un comunicado: "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 ni idea de cómo funcionan estas redes.

"Las moscas pueden hacer todo tipo de cosas complicadas, como caminar, volar, navegar y los machos cantan a las hembras. Los diagramas de cableado cerebral son un primer paso para comprender todo lo que nos interesa: cómo controlamos nuestro movimiento, respondemos al teléfono o reconocemos a un amigo".

Los científicos descubrieron que existían similitudes sustanciales entre el cableado de este mapa y los esfuerzos previos a menor escala que han mapeado 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 previos de áreas pequeñas del cerebro, los investigadores también descubrieron que aproximadamente el 0,5% de las neuronas tienen variaciones de desarrollo que podrían causar que las conexiones entre neuronas estén mal conectadas. Los investigadores dicen que este será un área importante para futuras investigaciones para comprender si estos cambios están relacionados con la individualidad o los trastornos cerebrales.

El cerebro completo de una mosca mide menos de 1 milímetro de ancho. Los investigadores comenzaron con un cerebro de hembra cortado en siete mil rebanadas, cada una de apenas 40 nanómetros de espesor, que fueron escaneadas previamente utilizando microscopía electrónica de alta resolución en el laboratorio del codirector del proyecto, Davi Bock, entonces en el Campus de Investigación Janelia en los EE. UU.

Analizar más de 100 terabytes de datos de imágenes (equivalente al almacenamiento en 100 computadoras portátiles típicas) para extraer las formas de aproximadamente 140.000 neuronas y 50 millones de conexiones entre ellas es un desafío 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 aún comete muchos errores en conjuntos de datos de este tamaño. El Consorcio FlyWire, formado por equipos en más de 76 laboratorios y 287 investigadores de todo el mundo, así como voluntarios del público en general, dedicó aproximadamente 33 años-persona a revisar minuciosamente todos los datos.

El Dr. Sebastian Seung, de la Universidad de Princeton, uno de los codirectores de la investigación, afirmó: "Los avances en la computación con inteligencia artificial han hecho posible el mapeo de todo el cerebro; no habría sido posible reconstruir todo el diagrama de cableado manualmente. Esto es una muestra de cómo la inteligencia artificial 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 particulares dentro del cerebro para un estudio más profundo, como las neuronas involucradas en la vista o el movimiento.