El trabajo puede servir de base para futuras investigaciones sobre el cerebro e inspirar nuevas arquitecturas de aprendizaje automático
Los investigadores han completado el mapa cerebral mas avanzado hasta la fechay de un insecto, una bitácora histórica en neurociencia que acerca a los científicos a la verdadera comprensión del mecanismo del pensamiento, según publican en la revista ‘Science’.
El equipo internacional dirigido por la Universidad Johns Hopkins (Estados Unidos) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido) ha elaborado un diagrama asombrosamente detallado que traza cada conexión neuronal del cerebro de una mosca de la fruta larvariaun modelo científico arquetípico con cerebros comparable a los humanos.
El trabajo probablemente servirá de base para futuras investigaciones sobre el cerebro e inspirará nuevas arquitecturas de aprendizaje automático.
«Si queremos escuchar quiénes somos y cómo pensamos, parte de esto consiste en comprender el mecanismo del pensamiento –explicado por el autor principal, Joshua T. Vogelstein, ingeniero biomédico de la Johns Hopkins especializado en proyectos basados en datos como la conectómica, el estudio de las conexiones del sistema nervioso – -. Y la clave para ello es saber cómo se conectan las neuronas entre sí».
El mapa mas completo y extenso jamas realizado
El primer intento de mapear un cerebro –un estudio de 14 años sobre el gusano redondo iniciado en la década de 1970– dio como resultado un mapa parcial y un premio nobel. Desde entonces, se han cartografiado conexiones parciales en muchos sistemas, como moscas, ratones e incluso seres humanos, pero estas las reconstrucciones suelen representar sólo una pequeña fracción del cerebro total.
Sólo se han generado conectomas completos de varias especies pequeñas con unos pocos cientos o millas de neuronas en sus cuerpos: un gusano redondo, una larva de ascidio y una larva de anélido marino.
l conector de este equipo de una cria de mosca de la frutala larva de ‘Drosophila melanogaster’, es el mapa mas completo y extenso nunca realizado del cerebro de un insecto. Incluye 3.016 neuronas y todas las conexiones entre ellas: 548.000.
Han pasado 50 años y es el primer conectoma cerebral. Es una bandera en la arena de que podemos hacerlo –destaca Vogelstein–. Todo ha ido funcionando hasta legar a esto».
Más de una década
Mapa cerebros enteros es dificil y lleva mucho tiempo, incluyendo la mejor tecnología moderna. Para obtener una imagen completa a nivel de una célula de un cerebro es necesario dividirlo en cientos o miles de muestras de tejido individualTodas las cuales tienen que ser analizadas con microscopios electrónicos antes del laborioso de reconstruir todas esas piezas, neurona por neurona, en un trato completo y preciso de un cerebro.
Llegar tarde más de una década en hacerlo con la cria de mosca de la fruta. Se calcula que el cerebro de un ratón es un millón de veces mayor que el de una cria de mosca de la fruta, lo que significa que la posibilidad de mapear algo parecido tiene un cerebro humano no es probable en un futuro cercano, quizás ni incluso en nuevas vidas.
El equipo selecciono a proposito la larva de la mosca de la fruta porque, para ser un insecto, la especies comparan gran parte de su biología fundamental con los humanosincluía una base genética comparable.
ademas tuyo un rico comportamiento de aprendizaje y toma de decisiones, donde lo convierte en un organismo modelo útil en neurociencia. A efectos prácticos, su cerebro relativamente compacto permite obtener imágenes y reconstruir sus circuitos en un plazo de tiempo razonable.
aun así, el trabajo llevó 12 años a las universidades de Cambridge y Johns Hopkins. Sólo la obtención de imágenes se llevó a cabo aproximadamente un día por neurona.
Neurona por neurona
Los investigadores de Cambridge crean imágenes de alta resolución del cerebro y estudian manualmente las neuronas individuales, trazando rigurosamente cada una de ellas y relacionando sus conexiones sinápticas.
Cambridge cedió los datos a Johns Hopkins, donde el equipo pasó más de tres años usando el código original que creó analizar la conectividad del cerebro. El equipo de Johns Hopkins desarrolló técnicas para encontrar grupos de neuronas desarrolladas en patrones de conectividad compartiday luego analizó cómo podía propagarse la información por el cerebro.
Al final, el equipo completo trazó un gráfico de cada neurona y cada conexión, y clasificó cada neurona por la función que desempeña en el cerebro. Descubre que los circuitos más activos del cerebro serán el cerebro que se dirija y alejaban de las neuronas del centro de aprendizaje.
Los métodos desarrollados por Johns Hopkins son aplicable a cada proyecto de conexión cerebral, y su código está a disposición de quien pretende mapear un animal cerebral aún mayor, dijo Vogelstein, quien agregó que, habiendo sopesado los desafíos, espera que los científicos enfrenten al ratón, posiblemente en la próxima década. Otros equipos ya están trabajando en un mapa del cerebro adulto de la mosca de la fruta.
El coautor Benjamin Pedigo, doctorando en Ingeniería Biomédica de Johns Hopkins, espera que el código del equipo pueda ayudar a revelar importantes comparaciones entre las conexiones del cerebro adulto y el larvario. Cada vez que se generen conectomas de más larvas y otras especies afines, Pedigo espera que estas técnicas de análisis permitan comprender mejor las variaciones en el cable cerebral.
Implicaciones para el código humano
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El trabajo con larvas de mosca de la fruta mostró características de los circuitos que registran sorprendentemente tiene arquitecturas de aprendizaje automático prominentes y poderosas. El equipo espera que el estudio continuo revele más principios computacionales y pueda inspirar nuevos sistemas de inteligencia artificial.
«Lo que hemos aprendido sobrio el código de la mosca de la fruta tendra implicaciones para el codigo humano –destaca Vogelstein–. Eso es lo que queremos escuchar: cómo escribir un programa que conduzca a una red cerebral humana».