El cerebro de la mosca de la fruta es del tamaño de una semilla de amapola y, como ella, pasa fácilmente inadvertido.
“Creo que la mayoría de la gente ni siquiera se imagina que una mosca tenga cerebro”, dijo Vivek Jayaraman, neurocientífico del Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Virginia. “Pero, desde luego, las moscas tienen una vida bastante intensa”.
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Las moscas son capaces de mostrar comportamientos sofisticados, como navegar por diversos paisajes, pelearse con sus rivales y llevar una serenata a sus posibles parejas. Además, sus diminutos cerebros son sumamente complejos; tienen cerca de 100.000 neuronas y decenas de millones de conexiones, o sinapsis, entre ellas.
Desde 2014, un equipo de científicos de Janelia, en colaboración con algunos investigadores de Google, han estado mapeando estas neuronas y sus sinapsis en un intento por conformar un diagrama integral de cableado, también conocido como conectoma, de las moscas de la fruta.
Este trabajo implica mucho tiempo y dinero, incluso con la ayuda de los algoritmos de aprendizaje automático de última generación. Pero es asombroso el detalle de los datos que estos han arrojado hasta ahora, los cuales componen un atlas de neuronas retorcidas en muchas áreas primordiales del cerebro de la mosca.
Ahora, en un artículo nuevo y extenso que se publicó el martes 26 en la revista eLife, los neurocientíficos están comenzando a demostrar lo que pueden hacer con él.
Al analizar el conectoma de tan solo una pequeña parte del cerebro de la mosca —el complejo central que tiene una participación importante en la navegación— Jayaraman y sus colaboradores identificaron docenas de nuevos tipos de neuronas y detectaron circuitos neuronales que, al parecer, ayudan a que las moscas se muevan por el mundo. Este trabajo podría darnos información sobre cómo los diversos tipos de cerebros animales, incluyendo el nuestro, procesan un torrente de información sensorial y la traducen en una cierta acción.
También es una prueba de principio para el nuevo campo de la conectómica moderna, el cual fue cimentado en la promesa de que elaborar diagramas detallados del cableado cerebral aportaría grandes beneficios científicos.
“En verdad es extraordinario”, comentó acerca de este nuevo artículo Clay Reid, investigador sénior en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro en Seattle. “Creo que cualquiera diría que la ciencia de los conectomas es una herramienta necesaria para la neurociencia… y punto”.
Imágenes de las neuronas de la mosca obtenidas con un microscopio electrónico. Se utilizaron algoritmos informáticos para señalar dónde se conectaban las neuronas individuales, y luego los investigadores comprobaron el trabajo de la computadora y completaron las piezas que faltaban....Janelia Research Campus
‘Frito el cerebro de la mosca’
El único conectoma completo del reino animal hasta ahora pertenece al humilde nemátodo C. elegans. El biólogo Sydney Brenner, quien después ganaría el Premio Nobel, comenzó este proyecto en la década de 1960. Su pequeño equipo pasó años trabajando en él y trazando las 302 neuronas con lápices de colores.
“Brenner se dio cuenta de que para entender el sistema nervioso había que conocer su estructura”, explica Scott Emmons, neurocientífico y genetista de la Facultad de Medicina Albert Einstein, quien posteriormente usó técnicas digitales para crear nuevos conectomas de C. elegans. “Y eso es cierto en toda la biología. La estructura es muy importante”.
Brenner y sus colegas publicaron su histórico artículo, de 340 páginas, en 1986.
Pero el campo de la conectómica moderna no despegó hasta la década de 2000, cuando los avances en la obtención de imágenes y la computación hicieron finalmente posible el mapeo de las conexiones en cerebros más grandes. En los últimos años, equipos de investigación de todo el mundo han empezado a reunir conectomas de peces cebra, pájaros cantores, ratones, humanos y otros.
Cuando se inauguró el Campus de Investigación Janelia en 2006, Gerald Rubin, su director fundador, puso su atención en la mosca de la fruta. “No quiero ofender a ninguno de mis colegas dedicados a los gusanos, pero creo que las moscas son el cerebro más simple que realmente tiene un comportamiento interesante y complejo”, dijo Rubin.
Desde entonces, varios equipos diferentes de este instituto se han dedicado a realizar proyectos con los conectomas de las moscas, pero el trabajo que dio origen a este nuevo artículo comenzó en 2014 con el cerebro de una sola mosca de la fruta de cinco días de nacida.
Los investigadores rebanaron el cerebro de la mosca en láminas y obtuvieron imágenes de ellas, capa por capa, mediante la técnica conocida como microscopía electrónica de barrido con un haz de iones focalizados. En esencia, el microscopio funcionaba como una lima de uñas diminuta y precisa que limaba una capa extraordinariamente delgada del cerebro, tomaba una fotografía del tejido expuesto y luego repetía el proceso hasta que ya no quedaba nada.
“Al mismo tiempo que captamos la imagen, estamos rebanando capitas del cerebro de la mosca, así que ya no queda nada cuando terminamos”, comentó Jayaraman. “Así que si metes la pata, estás acabado. Frito pescadito… o más bien, frito el cerebro de la mosca”.
Después usaron un software para visión computarizada con el fin de volver a unir los millones de imágenes resultantes en una sola imagen y en tercera dimensión, y trasmitirla a Google, donde los investigadores usaron algoritmos de aprendizaje automático avanzados para identificar cada neurona y trazar sus ramas retorcidas.
Al final, el equipo de Janelia empleó otras herramientas de computadora para detectar las sinapsis y luego los científicos revisaron el trabajo de la computadora, corrigieron los errores y perfeccionaron los diagramas del cableado.
El año pasado, los investigadores publicaron el conectoma de lo que llamaron “hemicerebro”, una porción grande de la parte central del cerebro de la mosca que incluye las regiones y las estructuras que resultan fundamentales para dormir, aprender y navegar.
Este conectoma, accesible en línea de manera gratuita, incluye cerca de 25.000 neuronas y 20 millones de sinapsis, muchas más que el conectoma del C. elegans.
“Es un incremento enorme”, señaló Cori Bargmann, neurocientífica de la Universidad Rockefeller en Nueva York. “Es un paso gigantesco hacia el objetivo de encontrar la conectividad del cerebro”.
Bienvenido a la orientación
Una población de neuronas que se encarga de actualizar la brújula interna de la mosca....FlyEM/Janelia Research Campus
Cuando estuvo listo el conectoma del hemicerebro, Jayaraman, experto en la neurociencia de la navegación de la mosca, estaba ansioso por profundizar en los datos del complejo central.
Esta región del cerebro, la cual contiene 3000 neuronas y está presente en todos los insectos, le ayuda a la mosca a construir un modelo interno de su relación espacial con el mundo para luego elegir y llevar a cabo los comportamientos pertinentes a las circunstancias, como, por ejemplo, buscar alimento cuando tienen hambre.
“¿Me están diciendo que pueden darme el diagrama del cableado para algo así?”, preguntó Jayaraman. “Este espionaje industrial es mejor del que se pueda hacer consiguiendo información sobre el iPhone de Apple”.
Él y sus colegas estudiaron minuciosamente los datos del conectoma, estudiando cómo se organizaban los circuitos neuronales de la región.
Por ejemplo, Hannah Haberkern, asociada postdoctoral en el laboratorio de Jayaraman, analizó las neuronas que envían información sensorial al cuerpo elipsoide, una estructura con forma de rosquilla que actúa como brújula interna de la mosca.
Haberkern descubrió que las neuronas que se sabe que transmiten información sobre la polarización de la luz —un indicio ambiental global que muchos animales usan para la navegación— establecieron más conexiones con las neuronas de la brújula que las neuronas que transmiten información sobre otras características visuales y puntos de referencia.
Las neuronas dedicadas a la polarización de la luz también se conectan —y son capaces de inhibir fuertemente— a las células cerebrales que proporcionan información sobre otras señales de navegación.
Los investigadores plantearon la hipótesis de que quizás las conexiones del cerebro de la mosca sirvan para dar prioridad a la información sobre el contexto global cuando están navegando, pero también de que estos circuitos son flexibles, a fin de que, cuando esa información sea inadecuada, puedan prestar más atención a las características locales del entorno. “Tienen todas estas estrategias de reserva”, dijo Haberkern.
La mosca de la fruta llama a casa
Otros integrantes del equipo de investigación identificaron rutas neuronales específicas que parecían apropiadas para ayudar a que la mosca siguiera la orientación de su cabeza y su cuerpo, anticipara su dirección de vuelo y su orientación futuras, calculara su orientación relativa actual hacia otra ubicación deseada y luego se moviera en esa dirección.
Imaginemos, por ejemplo, que una mosca hambrienta deja de manera momentánea una banana en descomposición para ver si puede conseguir algo mejor. Pero después de algunos minutos de exploración —literalmente— infructuosa, quiere regresar a su alimento anterior.
Los datos del conectoma sugieren que ciertas células del cerebro, llamadas neuronas PFL3, le ayudan a la mosca a realizar esta maniobra. Estas neuronas reciben dos informaciones indispensables: obtienen señales de las neuronas que trazan la dirección a la que se dirige la mosca así como las de las neuronas que tal vez estén atentas a la dirección de la banana.
Luego de recibir esas señales, las neuronas PFL3 envían su propio mensaje a un conjunto de neuronas que se encienden e impulsan a la mosca a desviarse en la dirección correcta, y, una vez más, a la mesa que está servida.
Compass neurons, which help flies stay oriented, are part of a neural pathway that may help modulate the insects’ turning actions...FlyEM/Janelia Research Campus
“Es en verdad asombroso poder trazar esa actividad a través de ese circuito de lo sensorial a lo motor a través de este circuito intermedio complejo”, señaló Brad Hulse, investigador del laboratorio de Jayaraman que encabezó esta parte del análisis. Añadió que el conectoma “nos demostró más de lo que esperábamos”.
Además, el artículo de este equipo, cuyo borrador incluye 75 figuras y consta de 360 páginas, no es más que el comienzo.
“Realmente brinda esta verdad fundamental para explorar más a fondo dicha región del cerebro”, comentó Stanley Heinze, experto en la neurociencia de los insectos en la Universidad Lund en Suecia. “Es en verdad impresionante”.
Y simplemente enorme. “Yo no lo trataría realmente como un artículo, sino más bien como un libro”, dijo Heinze.
De hecho, el artículo es tan extenso que el servidor de preimpresiones bioRxiv se negó inicialmente a publicarlo, quizás porque los administradores —comprensiblemente— pensaron que en realidad era un libro, dijo Jayaraman. (El servidor acabó publicando el estudio, tras unos días más de trámites, señaló).
***La publicación del trabajo en la revista eLife “requirió algunos permisos especiales y el intercambio de información con el personal editorial”, añadió Jayaraman.
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