Un grupo de investigadores ha elaborado el primer diagrama de las conexiones neuronales, más conocido como conectoma, de todo el cerebro de una larva de mosca del vinagre (Drosophila melanogaster), un cerebro que en estado adulto no tiene sino 100.000 neuronas.

Un conectoma es el equivalente cerebral de lo que el genoma es al código genético: detalla, a distintas escalas, todas las conexiones que existen no solo entre las neuronas, sino también entre las zonas cerebrales. Se engloba en la conectómica, una nueva neurotecnología desarrollada para reconstruir sistemáticamente los cerebros de distintos animales.

El conectoma de este insecto tiene una relevancia adicional porque la mosca del vinagre ha llamado la atención de los científicos después de que el año pasado una investigación de la Universidad de California en San Diego descubriera que estos insectos muestran unas inesperadas capacidades de atención, memoria de trabajo y consciencia, tal como informaron sus autores en un artículo publicado en la revista Nature.

Revolución neurocientífica

El trabajo del conectoma de la mosca del vinagre, que según sus creadores inspirará nuevos estudios de circuitos neuronales y arquitecturas de aprendizaje automático, se ha publicado ahora en la revista Science.

Este conectoma no solo proporciona un mapa de resolución sináptica del cerebro de la larva de un insecto, sino que también desarrolla una metodología para el análisis integral de conectomas a gran escala, que realza su importancia científica: puede incluso revolucionar la neurociencia, advierte el neurobiólogo Rafael Yuste, de la Universidad de Columbia, en declaraciones a SMC.

Destaca que, en el pasado, los mapas del cerebro de la Drosophila ya han dado pie a varios estudios de primer nivel que explican el mecanismo del procesamiento de información de sus circuitos neuronales. El conectoma representa ahora una escalada significativa en el conocimiento y descripción de los mecanismos cerebrales.

Parecida a un gusano, pero no

Este mapa revela cómo está organizado el sistema nervioso de una larva de mosca, que a ese nivel de desarrollo es parecida a un gusano, aunque con mayor nivel de complejidad, explica por su parte Juan Lerma, director del Centro Internacional de Neurociencias Cajal (CINC-CSIC).

Añade que estas larvas desarrollan comportamientos complejos, se relacionan, consultan y exploran el entorno, aprenden y realizan conductas motoras complejas como búsqueda de comida, etc., mecanismos todos ellos que pueden ayudarnos a comprender mejor al cerebro humano.

Recuerda al respecto que el mecanismo con el que se genera y transmite un impulso nervioso a lo largo de un nervio humano es exactamente el mismo que en el nervio de un calamar, de una mosca o de un ratón. Y que, de hecho, fue en el calamar donde se descubrieron todos estos mecanismos.

Circuitos de aprendizaje

Lerma destaca también que uno de los hallazgos de este trabajo es que revela una aparente inervación recurrente muy profusa y frecuente en aquellos circuitos que se sabe tienen que ver con el aprendizaje.

Añade que esta derivada da pistas de cómo la naturaleza organiza los elementos neuronales con bucles para hacer posible el aprendizaje. Eso significa que la existencia de esa organización neuronal dota al sistema cerebral de la capacidad de almacenar información.

Por este motivo, con este conectoma comprenderemos qué podemos aprender de esa organización para mejorar el conocimiento del cerebro humano, así como la estructura de máquinas y de los algoritmos de aprendizaje e Inteligencia Artificial que pueden usar, concluye Lerma.

Una idea en la que también insistía la investigación publicada el año pasado en la revista Nature: “dado que todos los cerebros evolucionaron a partir de un ancestro común, podemos establecer parecidos entre las regiones cerebrales de la mosca del vinagre y los mamíferos en función de características moleculares y de cómo almacenamos nuestros recuerdos”.

Mapa completo

Los autores de la nueva investigación, de la que es primer autor Michael Winding, de la Universidad de Cambridge, señala que el conectoma que han desarrollado es bastante completo: caracteriza tipos de conexión, tipos de neuronas, centros de red y los orígenes de los circuitos neuronales que existen en todo el cerebro.

Añaden que las herramientas genéticas disponibles en este conectoma permitirán asimismo la visualización y manipulación selectivas de tipos de neuronas individuales, así como probarán los desempeños funcionales de neuronas específicas y motivos de los circuitos revelados por el conectoma.

Destacan asimismo que, aunque los detalles de la organización cerebral difieren en el reino animal, muchas arquitecturas de circuitos se comparten entre diferentes especies, por lo que las características arquitectónicas descritas en el conectoma de este insecto serán útiles en futuros estudios de cerebros de invertebrados y vertebrados.

Redes genéticas

Otra derivada de este conectoma es que será útil también para la ciencia de redes genéticas, ya que muestra características estructurales, incluidos accesos directos multicapa y recurrencia robusta, que recuerdan las arquitecturas de aprendizaje automático de la Inteligencia Artificial.

El análisis futuro de estas similitudes y diferencias será útil para aprender más sobre los principios computacionales del cerebro y quizás inspirar nuevas arquitecturas de aprendizaje automático, sugieren los investigadores.

Por ello esperan que este conectoma se convierta en una fuente continua de hipótesis e inspiración para futuras investigaciones, tanto sobre los mecanismos cerebrales naturales como sobre los artificiales.

Referencias

The connectome of an insect brain. Michael Winding et al. Science, 10 Mar 2023, Vol 379, Issue 6636.

Differential mechanisms underlie trace and delay conditioning in Drosophila. Dhruv Grover et al. Nature, volume 603, pages302–308 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04433-6

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