El nuevo mapa del cerebro de Drosophila melanogaster revoluciona las neurociencias
“¿Cuántas neuronas contiene el cerebro de una mosca?” será, probablemente, una de las preguntas de los juegos de trivia o de programas concurso dentro de algunos años en las pantallas de todo el mundo. “140.000”, contestarán los equipos concursantes más preparados. “¡Diiing”! sonará la alegre alarma que señalará la respuesta correcta, produciendo una pequeña hinchazón de triunfo en el pecho de los ganadores.
Es que, gracias a una pequeña mosca, está sucediendo una revolución en el mundo de las neurociencias que será un hito en los libros de Historia.
La semana pasada, un grupo de científicos anunció al mundo que había logrado producir el primer mapa completo del cerebro de una mosca. ¡Atención! No se trata de la fastidiosa mosca común de la especie Muscus doméstica, sino de una pariente de su mismo orden, pero más pequeña y menos visible: la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster.
Esta mosquita parece irrelevante en nuestra vida cotidiana, tanto por su tamaño como por su rol ecológico: la descomposición de frutas y verduras (y, por cierto, algo de polinización). Atraída por los olores y compuestos volátiles que emiten las frutas en proceso de maduración, si has prestado atención, la encontrarás sobre tu cesta de frutas maduras, en un mango excesivamente rojo, o poniendo sus microscópicos huevos en la herida de una pera. A pesar de su aparente irrelevancia, es uno de los insectos más estudiados por la ciencia gracias a su —simple— complejidad.
Por ejemplo, su pequeño cerebro de 0.5 milímetros, equivalente a una cabeza de alfiler, es objeto de estudio desde hace más de una década. Corría abril del año 2013 cuando un grupo de científicos liderados por Francis Collins, entonces director de los National Institutes for Health (NIH), visitó al presidente Obama en la Casa Blanca y le presentó un visionario proyecto: mapear las neuronas de la mosquita Drosophila. La iniciativa se presentó bajo el acrónimo BRAIN, vale decir, Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (Investigación sobre el Funcionamiento del Cerebro a través de Neurotecnologías Innovadoras Avanzadas). Fue fácil convencer al presidente. Obama entendió inmediatamente el potencial revolucionario de aquella propuesta y, como muchos jefes de estado, reyes y emperadores, quiso dejar su huella en la historia. En el presupuesto de 2014, logró destinar más de 100 millones de dólares para la investigación y, a partir de ahí, los neurocientíficos empezaron la carrera por entender la estructura y el funcionamiento del cerebro “drosophiliano”.
Diez años después, ¿qué resultados se han logrado? Nueve artículos en la revista Nature lo explican con lujo de detalles, pero aquí intentaré un resumen. Se ha producido el primer mapa 3D de las neuronas de la mosca, 140 mil células neuronales y sus más de 50 millones de conexiones o sinapsis. Se llama “conectoma”, en un guiño a la denominación científica de la colección de genes de los organismos vivos, el genoma. La histórica hazaña fue lograda por el consorcio FlyWire —literalmente, el “Cableado de la Mosca”—, una gran colaboración internacional que incluye al Janelia Research Campus en Ashburn, Virginia, a la Universidad de Princeton, Pennsylvania, y a los investigadores del Laboratorio de Biología Molecular del Medical Research Council de la Universidad de Cambridge (¡donde fue descubierta la estructura del ADN por Francis y Crick!).
Los investigadores cortaron el cerebro de una mosca hembra en aproximadamente 20.000 láminas de 40 nanómetros de grosor (1 nanómetro equivale a 10⁻⁹ metros) utilizando un ultramicrótomo, y las secciones fueron luego analizadas mediante microscopía electrónica de alta resolución, que las multiplica hasta 100.000 veces. El microscopio permitió capturar más de 200.000 imágenes cerebrales desde diversos ángulos que, posteriormente, fueron ensambladas como si se estuviera reconstruyendo un gigantesco rompecabezas tridimensional. Nació, así, el primer modelo digital completo del cerebro de Drosophila melanogaster (si te interesa un bello video sobre ello, lo puedes ver aquí).
El ejercicio requirió el procesamiento de una montaña de datos: 100 terabytes (TB) de imágenes, equivalentes a la capacidad de unas 100 a 200 computadoras laptops, que demandó el uso de la Inteligencia Artificial. La IA ayudó a procesar y ensamblar las imágenes que, de otra manera, habría tomado 4.000 años humanos para lograrse. Dado que la IA aún comete muchos errores en procesar conjuntos tan enormes de datos, la reconstrucción tuvo que ser validada manualmente por un equipo gigante de 3.000 científicos y voluntarios de diversas partes del mundo. Además, 287 investigadores ayudaron a revisar los datos.
El conectoma de la mosca de la fruta es el primer diagrama de cableado completo del cerebro de un organismo vivo y abre nuevas perspectivas sobre nuestra comprensión de cómo las conexiones cerebrales controlan las percepciones sensoriales —por ejemplo, lo dulce o amargo de la fruta—, la memoria de la mosca, o sus rituales de apareamiento. Es el primer paso para entender cómo funciona el cerebro.
Y ahora que tenemos el mapa, ¿qué haremos con él? Los experimentos para prender, apagar o modificar algunas neuronas y observar su impacto en el comportamiento de la Drosophila ya han comenzado. En un futuro cercano, además, se podrán producir mapas de otras especies, como el ratón y, por qué no, el Homo sapiens, con sus 100 mil millones de neuronas y billones de sinapsis. Los mapas abrirán inéditas investigaciones sobre los mecanismos neuronales de enfermedades psiquiátricas o degenerativas, como el Alzheimer o el Parkinson. Y ni podemos imaginar qué más.
Si el mapeo y secuenciación de todos los genes de nuestro cuerpo —el genoma humano— fue una de las acciones épicas de la ciencia en el siglo XX, el mapeo de las neuronas y sus conexiones —el conectoma— será el equivalente en el siglo XXI. En los próximos años, descubriremos el infinito no solo a través de expediciones espaciales al explorar planetas y estrellas, sino en un territorio mucho más cercano: nuestro propio cerebro. Y todo gracias a una pequeña mosca.
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