Investigadores del Janelia Research Campus del HHMI, Google Research y el Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology completaron el primer mapa neural completo del sistema nervioso central de una mosca de la fruta macho. La investigación detalla más de 166.000 neuronas y sus conexiones.
El mapa definitivo abarca todo el sistema nervioso central del insecto, uniendo más de 166.000 neuronas en el cerebro y el cordón nervioso ventral. La culminación de este diagrama de cableado, conocido como conectoma, representa casi dos décadas de investigación en neurociencia e imagen avanzada, según detallaron las instituciones participantes en un anuncio conjunto.
El proyecto conjunto reunió al Howard Hughes Medical Institute, Google Research, la Universidad de Cambridge y el laboratorio británico de biología molecular. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista científica Cell.
Una apuesta científica de dos décadas en el Janelia Research Campus
Cuando los científicos del Janelia Research Campus comenzaron a trazar el mapa de todas las neuronas del cerebro de la mosca de la fruta en 2008, gran parte de la comunidad científica consideró la meta poco realista. Hacía 20 años que se había publicado el conectoma del gusano C. elegans, un organismo con apenas 302 neuronas que exigió más de diez años de trabajo. La mayoría de los expertos sostenía que mapear más de 100.000 neuronas demandaría demasiado tiempo y recursos económicos.
El entonces director ejecutivo fundador de Janelia, Gerry Rubin, impulsó el proyecto con la convicción de que el desarrollo tecnológico reduciría los costos y plazos de análisis.
Ninguno de esos días habría ocurrido si no hubiéramos hecho la mosca. Fue tener el acto de fe de que podíamos ensamblar un equipo interdisciplinario que desarrollaría formas de aumentar la eficiencia de generar conectomas en más de 1.000 veces. Esa fue nuestra contribución clave y sin eso, todavía estaríamos esperando. Gerry Rubin, director de Biología y líder de grupo sénior en Janelia
Para hacer viable la tarea, los investigadores estimaron inicialmente que el esfuerzo requeriría 500 personas trabajando durante una década. Con el fin de superar ese obstáculo temporal, equipos liderados por el líder de grupo sénior Harald Hess optimizaron técnicas de microscopía para obtener imágenes más nítidas de neuronas individuales.
En paralelo, los desarrolladores de Google Research diseñaron métodos computacionales automatizados para interpretar las imágenes a gran escala. Las herramientas de inteligencia artificial de la compañía emplearon redes de relleno de inundación para identificar automáticamente píxeles en imágenes de microscopía electrónica y generar reconstrucciones tridimensionales precisas.
Del hemiberebro al sistema nervioso central completo
El camino hacia el mapa actual incluyó hitos intermedios significativos. En 2020, el equipo de investigación presentó el hemiberebro, un conectoma de aproximadamente 25.000 neuronas que abarcaba la mitad del cerebro de una mosca. En ese momento, se constituyó como el diagrama neural más detallado producido hasta la fecha.
La nueva investigación expande notablemente ese alcance al incorporar el cerebro completo, ambos lóbulos ópticos y el cordón nervioso ventral. Esta estructura conecta el cerebro con el resto del cuerpo, transmitiendo tanto las órdenes motoras como la información sensorial.
| Hito del Conectome | Año de publicación | Neuronas mapeadas |
|---|---|---|
| C. elegans (gusano) | Década anterior (aproximada) | 302 neuronas |
| Hemiberebro de la mosca | 2020 | 25.000 neuronas |
| Sistema nervioso central completo | 2026 | Más de 166.000 neuronas |
Gracias a esta cobertura integral, los neurobiólogos pueden seguir circuitos neuronales completos desde el instante en que un insecto capta un estímulo externo hasta la conducta subsiguiente. Los datos facilitan el análisis de los mecanismos involucrados cuando la información visual guía al animal hacia una fuente de alimento o un objetivo específico.
Diferencias de comportamiento entre sexos y circuitos visuales
El análisis detallado del conectoma permitió estudiar el origen de las divergencias conductuales entre machos y hembras. Los investigadores descubrieron que, si bien la mayoría de los circuitos sensoriales y motores se comparten entre ambos sexos, las neuronas que muestran variaciones se concentran en áreas cerebrales superiores.
Específicamente, el equipo identificó un centenar de clases de interneuronas exclusivas de los machos que configuran redes complejas en el cerebro central. Estas estructuras regulan conductas propias del género, como la agresión y el cortejo. El estudio sugiere que, ante idénticas señales sensoriales, ciertos circuitos pueden desviar la información hacia rutas conductuales diferentes.
En el plano visual, el examen del cableado demostró que los estímulos captados por los ojos penetran en el cerebro a mayor profundidad de lo previsto con anterioridad. Más de la mitad de las variedades de neuronas de la mosca intervienen en el procesamiento visual. Asimismo, el equipo estructuró un plano que vincula las neuronas gustativas dispersas por el cuerpo con las neuronas motoras que controlan la alimentación.
Nuevos modelos vertebrados y el futuro de la conectómica
Tras consolidar el mapa de la mosca de la fruta, los científicos aplican las metodologías desarrolladas a organismos vertebrados transparentes. El objetivo principal consiste en obtener una explicación mecanicista sobre la generación de comportamientos complejos en cerebros de vertebrados, lo que podría aportar claridad sobre el origen de patologías neurológicas.
Las instalaciones de Janelia trabajan en la construcción de un conectoma del prosencéfalo en larvas de pez cebra y en especímenes adultos de Danionella, cuyos cuerpos translúcidos simplifican los procesos de obtención de imágenes. El desarrollo de herramientas automatizadas como PATHFINDER, que integra neuronas sintéticas para mejorar la velocidad de reconstrucción, busca abaratar costos y acortar plazos para futuros proyectos internacionales de mapeo cerebral.
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