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El mapa cerebral más grande jamás revelado revela las neuronas de la mosca de la fruta con exquisito detalle

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Puede que las moscas de la fruta no sean los organismos más inteligentes, pero los científicos aún pueden hacerlo Aprende mucho de su cerebro. Los investigadores esperan hacerlo ahora que tienen un nuevo mapa, el más completo de cualquier organismo hasta la fecha, del cerebro de una sola mosca de la fruta (Drosophila melanogaster). El diagrama de cableado, o “Conectoma”, incluye aproximadamente 140.000 neuronas y captura más de 54,5 millones de sinapsis, las conexiones entre neuronas.

“Esto es enorme”, afirma Clay Reed, neurobiólogo del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro en Seattle, Washington, que no participó en el proyecto, pero trabajó con un miembro del equipo. “Es algo que el mundo ha estado esperando ansiosamente durante mucho tiempo”.

Mapa1 Descrito en Paquete de nueve hojas de datos Publicado en naturaleza hoy. Sus creadores forman parte de un consorcio conocido como alambre voladorFue codirigido por los neurocientíficos Mala Murthy y Sebastian Seung de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey.

largo camino

Seong y Murthy dicen que han estado desarrollando el mapa FlyWire durante más de cuatro años, utilizando imágenes de microscopio electrónico de cortes del cerebro de la mosca. Los investigadores y sus colegas unieron los datos para formar un mapa completo del cerebro con la ayuda de herramientas de inteligencia artificial.

Pero estas herramientas no son perfectas y es necesario comprobar si hay errores en el diagrama de cableado. Los científicos han pasado mucho tiempo examinando manualmente los datos, lo cual es mucho tiempo. Pidieron voluntarios para ayudar. En total, los miembros y voluntarios del consorcio realizaron más de tres millones de ajustes manuales, según el coautor Gregory Jeffress, neurocientífico de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. (Gran parte de este trabajo, señala, se realizó en 2020, cuando los investigadores de moscas estaban en apuros y trabajaban desde casa durante la pandemia de COVID-19).

Animación de una neurona CT1 en el cerebro de Drosophila. Hay dos de ellos; Cada uno abarca un ojo completo y contiene más de 148.000 sinapsis. Fuente: Laboratorios Amy Sterling, Murthy y Seong, Universidad de Princeton (ref. 1)

Pero el trabajo está lejos de terminar: aún hay que anotar el mapa, un proceso en el que investigadores y voluntarios etiquetan cada neurona como un tipo de célula específico. Jeffress compara la tarea con la evaluación de imágenes satelitales: los programas de inteligencia artificial podrían estar entrenados para reconocer lagos o caminos en tales imágenes, pero los humanos tendrían que verificar los resultados y nombrar ellos mismos los lagos o caminos específicos. Finalmente, los investigadores identificaron 8.453 tipos de neuronas, mucho más de lo que nadie esperaba. De estos descubrimientos, 4.581 han sido descubiertos recientemente, lo que creará nuevas direcciones de investigación, dice Seong. “Cada uno de estos tipos de células es una cuestión”, añade.

El equipo también quedó sorprendido por algunas de las formas en que las diferentes células se comunican entre sí. Por ejemplo, las neuronas que se pensaba que participaban en un solo circuito de cableado sensorial, como la vía visual, tendían a recibir señales de múltiples sentidos, incluidos el oído y el tacto.1. “Es sorprendente lo interconectado que está el cerebro”, dice Murthy.

Explora el mapa

Los datos de los mapas FlyWire han estado disponibles para que los investigadores los exploren durante los últimos años. Esto ha permitido a los científicos aprender más sobre el cerebro y sobre las moscas de la fruta, resultados que han quedado registrados en algunas investigaciones publicadas en naturaleza hoy.

en una hoja2Por ejemplo, los investigadores utilizaron una red neuronal para crear un modelo informático de todo el cerebro de la mosca de la fruta, incluidas todas las conexiones entre las neuronas. Lo probaron activando neuronas que saben que detectan sabores dulces o amargos. Luego, estas neuronas dispararon una serie de señales a través del cerebro de la mosca virtual, estimulando en última instancia las neuronas motoras asociadas con la probóscide de la mosca, el equivalente mamífero de la lengua. Cuando se activaba el circuito dulce, se enviaba una señal para extender la probóscide, como si el insecto se dispusiera a alimentarse; Cuando se activó el circuito amargo, esta señal fue inhibida. Para validar estos resultados, el equipo activó las mismas neuronas en moscas de la fruta reales. Los investigadores descubrieron que la simulación tenía una precisión de más del 90% a la hora de predecir qué neuronas responderían y, por tanto, cómo se comportaría la mosca.

Y en otro estudio3Los investigadores describen dos circuitos de cables que le indican a la mosca que deje de caminar. Uno de ellos contiene dos neuronas encargadas de detener las señales de “caminar” enviadas desde el cerebro cuando la mosca quiere detenerse y alimentarse. El otro circuito incluye neuronas en el cordón nervioso, que reciben y procesan señales del cerebro. Estas células crean resistencia en las articulaciones de las patas de la mosca, lo que permite que el insecto se detenga mientras se limpia.

Una limitación de la nueva red neuronal es que fue creada a partir de una única mosca hembra de la fruta. Aunque los cerebros de las moscas de la fruta son similares entre sí, no son idénticos. Hasta la fecha, la red neuronal más completa en el cerebro de la mosca de la fruta es… Mapa del hemisferio cerebral – Parte del cerebro de la mosca contiene unas 25.000 neuronas. en uno de naturaleza Los periódicos están disponibles hoy.4Jeffress, Davey Bock, neurobiólogo de la Universidad de Vermont en Burlington, y sus colegas compararon el cerebro del FlyWire con el de un hemisferio cerebral.

Algunas diferencias fueron sorprendentes. La mosca FlyWire tenía casi el doble de neuronas en una estructura cerebral llamada cuerpo en forma de hongo, que tiene un papel en el olfato, que la mosca utilizada en el proyecto de mapeo hemisférico. Bok cree que esta discrepancia puede deberse a que la mosca hemicefálica pudo haber muerto de hambre mientras crecía, lo que comprometió su desarrollo cerebral.

Los investigadores de FlyWire dicen que todavía queda mucho trabajo por hacer para comprender completamente el cerebro de la mosca de la fruta. Por ejemplo, la última red neuronal sólo muestra cómo las neuronas están conectadas a través de sinapsis químicas, a través de las cuales moléculas llamadas neurotransmisores envían información. No proporciona ninguna información sobre la conductividad eléctrica entre o alrededor de las neuronas. Cómo se comunican químicamente las neuronas fuera de las sinapsis. Murthy espera tener también una red neuronal para la mosca macho, lo que permitirá a los investigadores estudiar comportamientos específicos de los machos, como el canto. “Aún no hemos terminado, pero es un gran paso”, afirma Bock.

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Mapa cerebral ultradetallado que muestra las neuronas que codifican el significado de las palabras

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Ilustración de neuronas piramidales de la corteza cerebral mostradas en azul y amarillo.

Un grupo de neuronas (imagen del artista) codifica el significado de la palabra “pato” y un grupo superpuesto codifica el significado de la palabra “huevo”.Copyright: Juan Gartner/Biblioteca de Imágenes Científicas

por Escuchar a escondidas los cerebros de personas vivasLos científicos han conseguido crear el mapa de mayor resolución hasta la fecha de neuronas que codifican el significado de diferentes palabras1Los resultados sugieren que, en todos los individuos, el cerebro utiliza las mismas categorías estándar para clasificar las palabras, ayudándonos a convertir el sonido en significado.

El estudio se basa únicamente en palabras en inglés. Pero es un paso en el camino hacia la comprensión de cómo el cerebro almacena palabras en su biblioteca de idiomas, dice el neurocirujano Zev Williams del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge. Al mapear palabras, podemos inferir que el cerebro almacena palabras en una biblioteca de idiomas. Grupos superpuestos de células cerebrales que responden a diferentes palabras.“Podemos intentar empezar a construir un diccionario de significados”, afirma.

El trabajo fue publicado hoy en naturaleza.

Significado del mapeo

El área del cerebro se llama corteza auditiva El oído procesa el sonido de una palabra a medida que ingresa. Pero el cerebro es responsable de esto. Corteza frontalque es el área donde ocurre la actividad cerebral de orden superior, que sirve para comprender el “significado semántico” de una palabra: su esencia o esencia.

Búsqueda anterior2 Estudió este proceso a través del análisis. Imágenes del flujo sanguíneo en el cerebro, que es un indicador de la actividad cerebral.Este método permitió a los investigadores mapear el significado de las palabras en pequeñas áreas del cerebro.

Pero Williams y sus colegas encontraron una oportunidad única de observar cómo las neuronas individuales codifican el lenguaje en tiempo real. Su grupo reclutó a 10 personas a punto de someterse a una cirugía para tratar la epilepsia, y a cada uno se le implantaron electrodos en el cerebro para determinar el origen de sus convulsiones. Los electrodos permitieron a los investigadores registrar la actividad de unas 300 neuronas en la corteza prefrontal de cada persona.

Mientras los participantes escuchaban varias frases cortas que contenían en total unas 450 palabras, los científicos registraron qué neuronas se iluminaban y cuándo. Williams dice que alrededor de dos o tres neuronas distintas se activaban con cada palabra, aunque señala que el equipo registró la actividad de sólo una pequeña fracción de los miles de millones de neuronas en la corteza prefrontal. Luego, los investigadores observaron la similitud entre palabras que activaban la misma actividad neuronal.

Una célula nerviosa para todo

Las palabras a las que respondió el mismo grupo de neuronas se clasificaron en categorías similares, como verbos o palabras asociadas con personas. El equipo también descubrió que las palabras que el cerebro podría asociar entre sí, como “pato” y “huevo”, activaban algunas de las mismas neuronas. Palabras con significados similares, como “ratón” y “rata”, provocaron patrones de actividad neuronal que eran más similares que los patrones provocados por “ratón” y “zanahoria”. Otros grupos de neuronas respondieron a palabras asociadas con conceptos más abstractos: palabras relacionales como “arriba” y “detrás”, por ejemplo.

Williams dice que las categorías que el cerebro asigna a las palabras fueron similares entre los participantes, lo que sugiere que los cerebros humanos combinan todos los significados de la misma manera.

Las neuronas de la corteza prefrontal no reconocían las palabras por sus sonidos, sino sólo por sus significados. Cuando alguien escuchaba la palabra “hijo” en una oración, por ejemplo, se encendían palabras asociadas con miembros de la familia. Pero estas neuronas no respondieron a la palabra “sol” en la oración, a pesar de que estas palabras tienen el mismo sonido.

lectura de la mente

Hasta cierto punto, los investigadores han podido determinar lo que oyen las personas mediante el seguimiento de la actividad de sus neuronas. Aunque no pudieron parafrasear oraciones exactas, pudieron decir, por ejemplo, que la oración contenía un animal, un verbo y comida, en ese orden.

“Obtener este nivel de detalle y observar lo que sucede a nivel de una neurona individual es bastante fascinante”, dice Vikash Gilga, ingeniero de la Universidad de California en San Diego y director científico de la empresa de interfaz cerebro-computadora Paradromics. Quedó impresionado por la capacidad de los investigadores para identificar no sólo qué neuronas corresponden a las palabras y sus categorías, sino también el orden en que fueron dichas.

La grabación de neuronas es mucho más rápida que utilizar imágenes; Dice que comprender el lenguaje a su velocidad natural será importante para el futuro desarrollo empresarial. Dispositivos de interfaz cerebro-computadora que restauran la capacidad de hablar con personas que han perdido esa capacidad.

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