- Google y Janelia, un campus de investigación en el Instituto Médico Howard Hughes en el condado de Loudoun, Virginia, han creado “el mapa más completo del cerebro de la mosca jamás creado”.
- Su investigación fue publicada a principios de esta semana en la revista de biología preimpresa bioRxiv.
- Connectomes, los mapas que ilustran las conexiones en el cerebro, han sido criticados por algunos científicos en el pasado porque hasta ahora no han dado lugar a grandes avances.
Drosophila melanogaster, también conocida como la mosca de la fruta, tiene una cúpula bastante impresionante por ser tan pequeña, ya que su cerebro contiene más de 100,000 neuronas o células cerebrales. Por primera vez, podemos ver aproximadamente 25,000 de esas neuronas, en 4,000 tipos diferentes, y sus millones y millones de conexiones en el cerebro.
Google y Janelia Research Campus, parte del Instituto Médico Howard Hughes en el condado de Loudoun, Virginia, han creado lo que afirman ser el mapa de cerebro más grande y detallado del mundo. Llamado diagrama de cableado o conectoma, el mapa se parece un poco a una pila 3D de Silly String, utilizando colores de neón para representar varias partes del cerebro que los científicos están interesados en estudiar. Los investigadores incluso pueden separar el mapa y aislar las regiones del cerebro que se ocupan del sentido del olfato, la visión o la capacidad de navegar de una mosca, perforando las conexiones cerebrales que les gustaría ver.
“Esta fue una gran apuesta en algo que la gente pensaba que era casi imposible de hacer”, dijo Viren Jain, científica investigadora de Google y ex directora de laboratorio de Janelia, en un comunicado de prensa. “Esta será la primera vez que realmente podremos tener una visión matizada de la organización de un sistema nervioso con 100,000 neuronas en una escala sináptica”.
Los investigadores apodaron al insecto de la suerte en cuestión, una mosca de la fruta hembra, “hemibrain”. Sin microscopios de alta potencia, análisis de datos y avances en tecnología de imágenes y algoritmos de aprendizaje profundo, este proyecto podría haber tomado dos décadas, según Gerry Rubin, vicepresidente del Instituto Médico Howard Hughes y director ejecutivo de Janelia.
Ahora el mapa se puede usar para estudiar el comportamiento de las moscas analizando ciertas partes del cerebro bajo ciertas condiciones. La única pregunta es si los críticos que dicen que los connectomes no son realmente útiles alguna vez aparecerán. En el pasado, estos mapas se han enfrentado a un retroceso porque toman mucho tiempo en armarse y aún no han producido avances importantes.
Una breve historia de Connectomes
Hasta la fecha, solo un animal ha publicado su conectoma completo: Caenorhabditis elegans, un gusano redondo transparente de solo un milímetro de largo. En la década de 1970, un biólogo llamado Sydney Brenner comenzó a preservar partes del gusano, cortando finas rodajas de su cuerpo y tomándole fotos bajo un microscopio electrónico. En 1986, se publicó una versión casi completa del conectoma, mostrando casi todas las 302 neuronas del gusano y 7,000 conexiones, llamadas sinapsis, entre ellas.
¿Lo loco? Todo estaba hecho manualmente. Dos décadas después, Dmitri Chklovskii, entonces líder del grupo en Janelia, terminó el trabajo publicando una versión más detallada del conectoma de gusano. En ese momento, era el mapa más grande del cerebro hasta la fecha.
Desde entonces, los científicos han trabajado para mapear el cerebro de una rata y, por supuesto, la mosca de la fruta. Sebastian Seung, un destacado científico del Instituto de Neurociencia de Princeton, es un defensor abierto del conectoma, incluso dando una charla TED sobre el tema en 2010.
Aún así, la crítica permanece. Crear un conectoma a la escala del cerebro humano, que contiene alrededor de 86 mil millones de neuronas y 100 billones de sinapsis, sería un esfuerzo masivo. En un debate de 2012 con Seung, Anthony Movshon, neurocientífico de la Universidad de Nueva York, señaló que no cree que el C. elegans El connectome ha llevado a nuevas ideas importantes sobre el comportamiento del gusano:
Creo que es justo decir … que nuestra comprensión del gusano no se ha mejorado materialmente al tener ese conectome disponible para nosotros. No tenemos un modelo completo de cómo el sistema nervioso del gusano realmente produce los comportamientos. Lo que tenemos es una especie de cama sobre la cual podemos construir experimentos, y muchas personas han construido muchos experimentos elegantes en esa cama. Pero ese conectoma en sí mismo no ha explicado nada.
Esta parece ser una de esas situaciones en las que la tecnología se ha desarrollado de alguna manera más rápidamente que la ciencia, por lo que es difícil decir si estos conectomas serán o no centrales para encontrar las próximas grandes verdades sobre el cerebro.
Imaging the Fly Brain
Para comenzar el proceso de mapeo, los investigadores utilizaron una mosca de la fruta hembra de cinco días de edad. Luego, escribieron en su artículo, usaron una plantilla personalizada para microdiseccionar el sistema nervioso central de la mosca, que incrustaron en una resina epoxi llamada Epon. El resultado fue un cerebro de mosca completamente teñido con sinapsis teñidas aún más oscuras, lo que facilitó que una máquina detectara esas conexiones. Las secciones del cerebro se cortaron en trozos delgados con un grosor de solo 20 micras cada una.
Usando ocho microscopios que originalmente estaban destinados a capturar datos durante un período de minutos u horas, los investigadores los configuraron para que se ejecuten continuamente durante meses o años. Utilizaron una técnica llamada microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocados para capturar las complejidades de las pequeñas conexiones del cerebro: es solo del tamaño de una semilla de amapola.
En este método, el microscopio utiliza un haz enfocado de iones para expulsar suavemente pequeños pedazos de tejido cerebral antes de disparar iones de galio al tejido para pulirlo a nivel atómico. Este microscopio toma una imagen del tejido, pule otra capa y luego continúa así hasta que se haya tomado una imagen de la muestra completa. A medida que el verdadero cerebro de la mosca se afeita lentamente, se forma una versión digital.
Google / FlyEM
Para almacenar todas esas imágenes, tomaría alrededor de 100 terabytes de espacio, o aproximadamente la misma cantidad de espacio que su computadora necesitaría para mantener 100 millones de fotos. Entonces, los investigadores idearon algoritmos informáticos para unir las imágenes, automatizando el proceso que antes se hacía a mano para mapear el cerebro del gusano.
El truco fue enseñarle a una computadora cómo dividir las imágenes en piezas más pequeñas, etiquetando cada parte. Este proceso, llamado segmentación de imágenes, ha sido un foco de atención de Google durante algún tiempo, pero enseñar un algoritmo para buscar neuronas dentro de imágenes de microscopio requiere una gran cantidad de datos de entrenamiento. Se complica aún más por el hecho de que las neuronas extienden sus zarcillos a través de grandes porciones del cerebro, creando conexiones en muchas regiones y, en última instancia, abarcando muchas imágenes.
Finalmente, los científicos terminaron usando lo que se llama una red de inundación, que podría seguir los zarcillos de las neuronas de un extremo al otro a medida que avanzaba por las imágenes. Según la experiencia previa, el algoritmo puede comenzar a hacer predicciones sobre la forma de los zarcillos y hacia dónde pueden conducir.
Los investigadores estimaron que la ayuda de Google en la informática aceleró el proceso diez veces. Sin embargo, todavía se necesitaban correctores humanos, porque los algoritmos no son perfectos. “Todavía se requiere mucho esfuerzo manual”, dijo Ruchi Parekh, que dirige un equipo de trazadores de neuronas y correctores de pruebas, en un comunicado.
Los investigadores ahora están trabajando para completar el conectoma completo mientras continúan aprendiendo a entender las imágenes que han recopilado. ¿Su meta? Para aprender algo nuevo sobre cómo funciona el cerebro de la mosca en el futuro cercano. Mientras tanto, esos microscopios de alta resistencia todavía están trabajando duro, recolectando imágenes del cerebro de una mosca macho. Esta vez, los investigadores quieren capturar todo su sistema nervioso, no solo lo que hay en el cerebro. Si todo va según lo planeado, las imágenes deberían escanearse antes de fin de año.
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