Primer mapa de cableado completo de neuronas en el cerebro de un insecto

El conjunto completo de neuronas en el cerebro de un insecto, reconstruido mediante microscopía electrónica con resolución de abrazadera. Crédito: Universidad Johns Hopkins/Universidad de Cambridge

Los científicos han creado el primer mapa que muestra cada neurona y cómo están conectadas entre sí en el cerebro de una larva de mosca de la fruta.

Los investigadores han construido el primer mapa que muestra cada neurona y cómo están conectadas entre sí en el cerebro de una larva de mosca de la fruta.

Este gran paso adelante en la ciencia finalmente nos ayudará a comprender los principios básicos por los cuales las señales viajan a través del cerebro a nivel neuronal y conducen al comportamiento y al aprendizaje.

El mapa de las 3.016 neuronas que componen el cerebro de la oruga y los circuitos detallados de las vías neuronales dentro de ellas se conoce como «red neuronal». Es la red neuronal cerebral completa más grande descrita hasta la fecha.

Esta investigación pionera fue dirigida por la profesora Marta Zlatek y el profesor Albert Cardona del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica de la Universidad de Cambridge y colegas del Reino Unido y los Estados Unidos. El estudio ha sido publicado en la revista Ciencias El 10 de marzo de 2023.

Diagrama que representa la conectividad, donde las neuronas se representan como puntos y las neuronas con la conectividad más similar se dibujan más juntas. Las líneas representan las conexiones entre las neuronas. Los bordes de las figuras muestran ejemplos de morfología neuronal. Crédito: Universidad Johns Hopkins/Universidad de Cambridge

El sistema nervioso de un organismo, incluido el cerebro, consta de células nerviosas conectadas entre sí a través de sinapsis. La información en forma de sustancias químicas se transmite de una célula nerviosa a la siguiente a través de estos puntos de conexión.

El profesor Zlatek dijo:

La forma en que está estructurado el circuito del cerebro afecta las operaciones computacionales que el cerebro puede realizar. Pero hasta este punto, no hemos visto la estructura de ningún cerebro excepto el del gusano redondo. C. elegans, un renacuajo de un cordado inferior y una larva de anélido marino, todos con varios cientos de neuronas. Esto significa que la neurociencia ha estado trabajando mayormente sin mapas de circuitos. Sin conocer la estructura del cerebro, hacemos conjeturas sobre la forma en que se realizan las operaciones computacionales. Pero ahora, podemos comenzar a obtener una comprensión mecánica de cómo funciona el cerebro».

Zlatek explicó que la tecnología actual no es lo suficientemente avanzada para mapear la red neuronal de animales superiores como los grandes mamíferos. Pero ella dijo:

“Todos los cerebros son iguales, todos son redes de neuronas interconectadas, y todos los cerebros son absolutamente iguales.[{» attribute=»»>species have to perform many complex behaviors: they all need to process sensory information, learn, select actions, navigate their environments, choose food, recognize their conspecifics, escape from predators, etc. In the same way that genes are conserved across the animal kingdom, I think that the basic circuit motifs that implement these fundamental behaviors will also be conserved.”

The complete set of neurons in an insect brain. Credit: Johns Hopkins University/University of Cambridge

To build a picture of the fruit fly larva connectome, Zlatic, Cardona and colleagues scanned thousands of slices of the larva’s brain using a high-resolution electron microscope. They reconstructed the resulting images into a map of the fly’s brain and painstakingly annotated the connections between neurons. As well as mapping the 3016 neurons, they mapped an incredible 548,000 synapses.

The researchers also developed computational tools to identify likely pathways of information flow and different types of circuit motifs in the insect’s brain They also found that some of the structural features are exactly like state-of-the-art deep learning architecture.

Zlatic said:

“The most challenging aspect of this work was understanding and interpreting what we saw. We were faced with a complex neural circuit with lots of structure. In collaboration with Professor Priebe and Professor Vogestein’s groups at Johns Hopkins University, we developed computational tools to extract and predict from the structure the relevant circuit motives. By comparing this biological system, we can potentially also inspire better artificial networks.”

Jo Latimer, Head of Neurosciences and Mental Health at the Medical Research Council, said:

“This is an exciting and significant body of work by colleagues at the MRC Laboratory of Molecular Biology and others. Not only have they mapped every single neuron in the insect’s brain, but they’ve also worked out how each neuron is connected. This is a big step forward in addressing key questions about how the brain works, particularly how signals move through the neurons and synapses leading to behavior, and this detailed understanding may lead to therapeutic interventions in the future.”

The next step will be to delve deeper to understand, for example, the architecture required for specific behavioral functions, such as learning and decision making, and look at activity in the whole connectome while the insect is doing things.

For more on this research, see First Complete Map of an Insect Brain.

Reference: “The connectome of an insect brain” by Michael Winding, Benjamin D. Pedigo, Christopher L. Barnes, Heather G. Patsolic, Youngser Park, Tom Kazimiers, Akira Fushiki, Ingrid V. Andrade, Avinash Khandelwal, Javier Valdes-Aleman, Feng Li, Nadine Randel, Elizabeth Barsotti, Ana Correia, Richard D. Fetter, Volker Hartenstein, Carey E. Priebe, Joshua T. Vogelstein, Albert Cardona and Marta Zlatic, 10 March 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.add9330