Comprender cómo un cerebro transforma una señal en una decisión sigue siendo uno de los grandes desafíos de la neurociencia. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha dado un paso importante al completar por primera vez el mapa de conexiones de todo el sistema nervioso central de una mosca de la fruta adulta, incluyendo cerebro, lóbulos ópticos y cordón nervioso.
El resultado reúne aproximadamente 166.000 neuronas y millones de conexiones, una cifra diminuta frente a las cerca de 86.000 millones de neuronas del cerebro humano, pero suficientemente compleja como para estudiar cómo surgen comportamientos completos.
Los resultados fueron presentados en una serie de trabajos publicados en la revista Cell y representan la culminación de casi dos décadas de desarrollo de nuevas técnicas de microscopía, procesamiento informático y reconstrucción neuronal.
Del ojo hasta el movimiento de las alas
Una de las grandes ventajas del nuevo conectoma es que permite seguir el recorrido de la información prácticamente desde que entra en el sistema nervioso hasta que provoca una acción.
Según los investigadores, el cordón nervioso de la mosca —comparable funcionalmente en algunos aspectos a nuestra médula espinal— no funciona simplemente como un conjunto de cables que conecta el cerebro con el cuerpo. También contiene una parte considerable de la capacidad de procesamiento necesaria para controlar acciones como caminar, volar o producir los movimientos utilizados durante el cortejo.
El análisis del sistema visual reveló además que la información procedente de los ojos penetra profundamente en el cerebro e involucra a más de la mitad de los tipos neuronales identificados.
Las diferencias entre machos y hembras aparecen en las conexiones
El mapa también permitió estudiar cómo pequeños cambios en los circuitos neuronales pueden producir comportamientos diferentes entre machos y hembras de Drosophila melanogaster.
Los científicos identificaron cientos de tipos celulares específicos de cada sexo. Aproximadamente el 4,8% de las neuronas del cerebro masculino y el 2,4% del femenino presentan características específicas, mientras que otro 9% de las neuronas masculinas participa en conexiones diferentes entre ambos sexos.
Parte de estas diferencias está relacionada con genes como fruitless y doublesex. Su expresión puede modificar la manera en que determinadas neuronas se conectan y terminar produciendo conductas diferentes.
Un ejemplo es el cortejo: los machos hacen vibrar un ala para producir una especie de “canto” dirigido a las hembras. El conectoma permite ahora estudiar con mucho mayor detalle qué circuitos convierten determinadas instrucciones genéticas en ese comportamiento.
También reconstruyeron el circuito del gusto
Otro de los estudios siguió las conexiones del sistema gustativo completo, desde las neuronas que detectan sabores en distintas partes del cuerpo hasta aquellas que controlan la alimentación.
Los investigadores observaron cómo las señales asociadas a sustancias atractivas o desagradables terminan conectándose con circuitos responsables no solo de comer, sino también de la locomoción, la liberación hormonal e incluso el cortejo.
Esto permitirá investigar cómo el estado interno de un animal —por ejemplo, tener hambre— puede modificar decisiones relacionadas con los estímulos que recibe del exterior.
Un mapa construido neurona por neurona
Para conseguir este nivel de detalle, los investigadores del Campus Janelia del Howard Hughes Medical Institute desarrollaron durante años técnicas avanzadas de microscopía electrónica FIB-SEM.
Después, algoritmos de aprendizaje automático ayudaron a identificar y reconstruir las neuronas a partir de las imágenes. Sin embargo, el proceso todavía necesitó una enorme cantidad de supervisión humana.
La revisión y corrección del mapa requirió un trabajo equivalente al de 44 personas durante un año.
El resultado es mucho más que una imagen extremadamente detallada del cerebro de una mosca. Por primera vez, los científicos disponen de un diagrama prácticamente completo que permite seguir cómo los genes modifican las neuronas, cómo las neuronas forman circuitos y cómo esos circuitos terminan produciendo comportamientos.
