La ciencia ha dado un paso de gigante en la comprensión del cerebro gracias a la mosca de la fruta, una criatura diminuta que, aunque no es especialmente conocida por su inteligencia, acaba de aportar un conocimiento de valor incalculable sobre el entramado neuronal que sostiene la actividad cerebral.
En un avance científico de proporciones extraordinarias, los investigadores han creado el conectoma más completo hasta la fecha: un mapa detallado de todas las conexiones neuronales en el cerebro de una única mosca de la fruta (Drosophila melanogaster). Esto es, un atlas completo que muestra cómo las células cerebrales se conectan y hablan entre sí, lo que permite a los científicos estudiar con exquisita precisión la estructura y funcionamiento del encéfalo.
Este ambicioso proyecto, cuyos resultados aparecen publicados en la revista científica Nature, ha dado como resultado la representación de cerca de 140.000 neuronas y más de 54,5 millones de sinapsis.
Recordemos que la sinapsis es la pieza clave de la comunicación neuronal: esta se inicia cuando una neurona lanza una información en forma de impulso eléctrico a través de un cable de salida llamado axón y viaja hasta la llamada hendidura sináptica.
El barquero que cruza el puente de la sinapsis
En este punto es donde ocurre la sinapsis: el impulso eléctrico es recogido por un neurotransmisor, que, a modo de barquero, lo transporta hasta el cable receptor de la siguiente neurona, la llamada dendrita. De este modo, la información viaja de una neurona a otra hasta el punto de destino.
Este logro materializado en una mosca era ampliamente esperado por la comunidad científica. «Es algo enorme», asegura en la revista Nature Clay Reid, neurobiólogo del Allen Institute for Brain Science de Seattle (EE. UU.), quien, aunque no participó en el proyecto, comprende bien su importancia.
La creación de este conectoma ha requerido años de trabajo y la colaboración de un equipo internacional de científicos conocidos colectivamente como el consorcio FlyWire. Este está codirigido por los neurocientíficos Mala Murthy y Sebastian Seung, ambos de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos.
Cuatro años de intensa investigación
La elaboración del mapa cerebral del insecto comenzó hace más de cuatro años, a partir de imágenes de microscopía electrónica del cerebro de una hembra de mosca de la fruta, tan diminuto como una semilla de amapola. A pesar de su tamaño, el cerebro de la Drosophila melanogaster es sumamente complejo.
En efecto, con sus cerca de 100.000 neuronas y decenas de millones de sinapsis —el cerebro humano posee unos 86.000 millones de neuronas y billones de conexiones sinápticas—, hace posible que las moscas sean capaces de elaborar comportamientos muy sofisticados.
Aunque su cerebro está a años luz de la capacidad cognitiva de nuestro encéfalo, por cierto, la máquina más compleja del universo, las moscas son capaces de navegar por entornos muy diferentes y muestran una asombrosa conducta de cortejo sexual; los machos realizan un elaborado cortejo que incluye vibraciones de alas y movimientos específicos para atraer a las hembras. Y son muy buenas a la hora de detectar compuestos volátiles emitidos por frutas maduras o en descomposición, que utilizan como fuente de alimento.
7.000 rebanadas de cerebro de mosca
Pues bien, para zambullirse en el cerebro liliputiense de este insecto, los neurocientíficos del FlyWire lo rebanaron en 7.000 lonchas con un espesor de una 40 millonésima parte de milímetro, y luego fotografiaron cada una de estas rebanadas millones de veces en un microscopio electrónico de alta resolución.
El proceso implicó el uso de herramientas de inteligencia artificial (IA) para ensamblar estos datos en un mapa coherente del cerebro. Sin embargo, la tecnología no fue suficiente por sí sola, ya que aún era necesario corregir errores manualmente. Aquí, tanto los investigadores como los voluntarios realizaron más de tres millones de correcciones a mano para afinar los datos y asegurar su precisión.
Gregory Jefferis, neurocientífico de la Universidad de Cambridge y coautor del estudio, destaca que gran parte de este trabajo tuvo lugar en 2020, cuando el confinamiento global por la pandemia de la covid-19 permitió que muchos investigadores se dedicaran exclusivamente a esta tarea.
El Google Maps del cerebro de la mosca
La colaboración de voluntarios, casi tres centenares de científicos de todo el mundo, resultó esencial para la corrección del diagrama y para la posterior anotación del mapa, donde se etiquetó cada neurona según su tipo celular.
Este proceso fue como observar imágenes satelitales, según declaró en la rueda de prensa Jefferis. «Esto es como un Google Maps del cerebro —afirmó el investigador de Cambridge. Y añadió—: El diagrama en bruto de las conexiones entre las neuronas es como averiguar, con imágenes de satélite de la Tierra, qué estructuras corresponden a calles, edificios o ríos».
El siguiente paso, que requirió un gran esfuerzo, consistió en anotar las neuronas, una tarea que podría compararse, siguiendo con el símil de Google Maps, con «poner nombres a las ciudades, la hora de apertura de los comercios, sus números de teléfono… Se necesitan el mapa base y esas anotaciones para que sea realmente útil para los científicos», advierte Jefferis.
Y aunque la IA puede identificar estructuras generales, como lagos y carreteras, los seres humanos son los encargados de nombrar esas estructuras y de verificar que los resultados son los correctos.
4.500 células cerebrales nuevas para la ciencia
De este modo, se pudo identificar un total de 8.453 tipos de células cerebrales en el cerebro de la mosca, un número significativamente mayor de lo que esperaban encontrarse los miembros del consorcio FlyWire. De estas, más de 4.500 eran células completamente nuevas para la neurociencia.
Su descubrimiento abre un enorme abanico de posibilidades para futuras investigaciones, según Seung, que participó en el desarrollo de un programa de inteligencia artificial capaz de identificar las neuronas y sus conexiones. «Cada uno de esos tipos de células es un interrogante», dice el investigador en la revista Nature.
Nuevas sorpresas y descubrimientos neuronales
Entre los hallazgos más sorprendentes se encuentran las formas en que las neuronas están interconectadas. Por ejemplo, las neuronas que se pensaba que estaban involucradas en la gestión de un solo circuito de cableado sensorial, como una vía visual, tendían a recibir señales de múltiples sentidos, incluidos el oído y el tacto.
Esta revelación refuerza la idea de que el cerebro está increíblemente interconectado, algo que fascinó a Murthy y a su equipo.
Además, el nuevo y exhaustivo mapa neuronal ha permitido a los investigadores profundizar en los circuitos neuronales responsables de diferentes comportamientos. En un estudio, los científicos utilizaron el conectoma para simular virtualmente el cerebro de la mosca, con todas sus conexiones neuronales. Posteriormente, activaron neuronas que se sabía que estaban asociadas con la percepción de sabores dulces y amargos.
Señales dulces y amargas
Estas neuronas agridulces lanzaron una cascada de señales a través del cerebro virtual de la mosca, que en última instancia activaron las neuronas motoras ligadas a la probóscide de la mosca, el equivalente a la lengua de los mamíferos.
Según cuentan los investigadores en la revista Nature, cuando se activaba el circuito dulce, se transmitía una señal para extender la probóscide, como si el insecto se estuviera preparando para alimentarse; cuando se accionaba el circuito amargo, esta señal se inhibía.
Para validar estos resultados, el equipo activó las mismas neuronas en una mosca de la fruta real. Los investigadores comprobaron de esta forma que la simulación tenía una precisión superior al 90 % a la hora de predecir qué neuronas responderían a un estímulo y, por tanto, cómo se comportaría la mosca.
El conectoma se ha hecho con una sola mosca hembra
Este nivel de exactitud sugiere que este conectoma no solo es un logro técnico impresionante, sino también una herramienta extremadamente útil para la investigación neurocientífica futura.
Uno de los aspectos que aún necesita ser explorado es la diversidad entre diferentes ejemplares de Drosophila melanogaster. No hay que olvidar que el conectoma actual se basa en el cerebro de una única mosca hembra de esta especie, lo que deja en el aire la pregunta de hasta qué punto los cerebros de otras moscas son diferentes.
En otro de los estudios que acompañan este gran proyecto, los investigadores compararon este mapa con el conectoma anterior de un hemicerebro de mosca, que contenía alrededor de 25.000 neuronas.
Un conectoma limitado
Las diferencias observadas fueron asombrosas: la mosca utilizada en el mapa FlyWire tenía casi el doble de neuronas en una estructura cerebral llamada cuerpo en hongo o corpora pedunculata, que está asociada con el sentido del olfato.
Esta discrepancia podría explicarse, según algunos investigadores, por las diferencias en el desarrollo de ambas moscas. La mosca del hemicerebro, por ejemplo, había pasado hambre durante su crecimiento, lo que podría haber afectado a su desarrollo cerebral.
A pesar de su magnitud, este conectoma aún presenta algunas limitaciones. Por ejemplo, solo incluye las conexiones entre neuronas a través de sinapsis químicas, pero no proporciona información sobre la conectividad eléctrica entre las células ni sobre otras formas de comunicación neuronal que ocurren fuera de las sinapsis.
El conectoma de la mosca solo es el comienzo
Además, aún está pendiente el desarrollo de un conectoma de una mosca macho, lo que permitiría estudiar comportamientos específicos del sexo masculino, como el canto durante el cortejo.
Sin embargo, este proyecto marca un punto de inflexión en el campo de la neurociencia. Gracias a la información proporcionada por FlyWire, los neurocientíficos han comenzado a desentrañar los misterios del cerebro de la mosca de la fruta, cuyas lecciones podrían ser aplicables a otros organismos, incluidos los seres humanos.
Como señala en Nature el neurobiólogo Davi Bock, de la Universidad de Vermont, «no hemos terminado, pero es un gran paso». El conectoma de la mosca de la fruta es solo el comienzo de lo que promete ser una larga y fructífera investigación para desvelar los secretos más profundos del cerebro y allanar el camino para entender mejor la circuitería neurológica de organismos más complejos, como los mamíferos.
En este sentido, los científicos esperan que el mapa del cerebro del ratón se complete en los próximos cinco o diez años. Y el Human Connectome Project, que comenzó su andadura en 2009, espera hacer lo mismo con nuestra sesera, pero tendremos que esperar más tiempo para lograr lo que se ha conseguido con la mosca del vinagre.
El auge de la patoconectómica
Un mejor conocimiento de los entresijos de nuestro órgano pensante puede abrir nuevas vías para abordar, por ejemplo, enfermedades neurodegenerativas del cerebro como el párkinson y el alzhéimer, o trastornos como el autismo, la depresión y la esquizofrenia.
En este sentido, la patoconectómica tiene mucho que decir. Se trata de una rama emergente de la neurociencia que se enfoca en el estudio de las alteraciones en los conectomas, esto es, los mapas de conexiones neuronales en relación con enfermedades o trastornos neurológicos y psiquiátricos. Su objetivo no es otro que entender mejor las bases neuronales de estos procesos patológicos y desarrollar nuevas terapias.
Y los primeros pasos en esta dirección ya se han dado. Por ejemplo, el pasado mes de mayo, el equipo de Jeff Lichtman, neurocientífico de la Universidad de Harvard (EE. UU.), anunció en la revista Science que había logrado mapear el cableado de un milímetro cúbico de la corteza cerebral de un paciente con epilepsia. En ese diminuto fragmento se encontraron 53.000 neuronas y 150 millones de conexiones entre ellas.
A partir de aquella pequeña muestra, Lichtman y sus colegas consiguieron producir 1,4 petabytes de datos de microscopía electrónica: tipos de células, vasos y sinapsis clasificados y cuantificados. Los hallazgos permitieron a los autores identificar aspectos previamente desconocidos de la corteza temporal humana.
