Un consorcio internacional mapea el cableado cerebral completo de la mosca de la fruta en un avance histórico de conectoma

Una colaboración internacional de neurocientíficos liderada por el consorcio FlyWire ha completado el primer diagrama de cableado cerebral completo de una mosca de la fruta adulta, Drosophila melanogaster. Publicado a través de una serie de estudios históricos en la revista Nature, el proyecto mapea las 139,255 neuronas individuales y más de 50 millones de conexiones sinápticas. El logro marca el conectoma animal más grande y complejo jamás construido, ofreciendo una resolución sin precedentes sobre cómo los cerebros procesan la información y guían el comportamiento. El esfuerzo masivo fue codirigido por la Dra. Mala Murthy y el Dr. H. Sebastian Seung de la Universidad de Princeton, junto con investigadores del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica en Cambridge e instituciones de todo el mundo. Para lograr la hazaña, los investigadores cortaron el cerebro de una sola mosca de la fruta hembra en miles de secciones ultrafinas y las visualizaron utilizando microscopía electrónica de transmisión de alto rendimiento. Los modelos de inteligencia artificial desarrollados en Google Research reconstruyeron los límites celulares antes de que una comunidad abierta de investigadores globales y científicos ciudadanos pasaran años corrigiendo y validando cada segmento. El conjunto de datos de acceso abierto resultante, accesible para investigadores de todo el mundo, clasifica cientos de tipos de células previamente desconocidos y mapea las vías de procesamiento sensorial y motor. Al rastrear cómo las señales visuales, auditivas y olfativas viajan a través de circuitos intermedios hasta las neuronas motoras, los científicos ahora pueden observar la trayectoria completa de la computación neuronal. Antes de este avance, los conectomas completos solo se habían completado para organismos microscópicos con varios cientos de neuronas, como el gusano nematodo Caenorhabditis elegans. Los investigadores descubrieron centros organizativos distintos dentro del cerebro de la mosca que regulan comportamientos complejos como caminar, acicalarse, aparearse y navegar. Inesperadamente, el equipo descubrió extensos bucles de retroalimentación y comunicación cruzada entre las vías sensoriales que anteriormente se pensaba que operaban de forma independiente. Estos mapas detallados permitirán a los científicos simular funciones de circuitos computacionalmente y comparar modelos cerebrales sintéticos con sistemas biológicos físicos. Las moscas de la fruta comparten aproximadamente el 60 por ciento de su material genético con los humanos, incluidas muchas vías fundamentales de señalización neuronal. Debido a que los mecanismos biológicos que controlan la memoria, el sueño y la navegación están evolutivamente conservados, los investigadores creen que este conectoma avanzará en el estudio de las condiciones neurológicas humanas. Las enfermedades caracterizadas por la decadencia sináptica o la disfunción de circuitos podrían beneficiarse de ensayos de laboratorio específicos utilizando modelos de mosca con diseños de circuitos conocidos. El conectoma completo también proporciona un plano fundamental para las arquitecturas emergentes de inteligencia artificial y robótica. Los científicos informáticos que estudian redes neuronales pueden analizar directamente cómo los cerebros biológicos logran una computación energéticamente eficiente y un procesamiento multisensorial con un consumo de energía mínimo. Varios laboratorios de investigación computacional ya han comenzado a probar si los circuitos neuronales artificiales basados en el conectoma de Drosophila funcionan mejor en tareas de navegación robótica en tiempo real. Si bien el cerebro de la mosca de la fruta es microscópico en comparación con las 86 mil millones de neuronas estimadas en un cerebro humano, la escala de datos generados por el proyecto FlyWire es vasta. Las imágenes y los modelos geométricos en 3D ocupan petabytes de almacenamiento digital, ilustrando los desafíos de ingeniería asociados con el mapeo cerebral completo. El consorcio FlyWire ha hecho que todos los datos de imágenes en bruto, algoritmos de segmentación y herramientas de análisis de circuitos sean descargables libremente sin restricciones comerciales. Los neurocientíficos ven el mapa de la mosca de la fruta como un trampolín crucial hacia organismos modelo intermedios, incluido el cerebro del ratón, que contiene aproximadamente 70 millones de neuronas. Los consorcios científicos globales ya han iniciado proyectos piloto destinados a escalar la microscopía electrónica automatizada y la segmentación de aprendizaje automático para acomodar el tejido cerebral de los mamíferos. Los investigadores enfatizan que superar los límites actuales de procesamiento de datos y manejo de tejidos requerirá una financiación internacional sostenida y asociaciones de intercambio de datos abiertos. Las juntas de ética y los expertos en política científica han elogiado el marco de ciencia abierta del proyecto, que involucró a cientos de anotadores voluntarios e investigadores en docenas de naciones. El método transparente de intercambio de datos del consorcio está diseñado para democratizar la investigación cerebral, permitiendo a los laboratorios independientes sin instalaciones de imágenes de varios millones de dólares interrogar los circuitos. Los miembros del equipo de FlyWire confirmaron que continuarán las actualizaciones regulares al atlas digital a medida que los científicos refinen los subcircuitos conductuales. La publicación del conectoma completo de la mosca establece un nuevo estándar para la neurociencia moderna, haciendo la transición del campo desde estudios de neuronas aisladas hacia el análisis de redes integrales. Los investigadores de todo el mundo ahora pueden formular hipótesis precisas y comprobables sobre cómo los circuitos neuronales procesan información, se adaptan a estímulos ambientales y controlan el movimiento físico. A medida que la neurociencia computacional madura, el mapa de la mosca de la fruta está listo para guiar descubrimientos a través de la medicina biológica y la computación sintética en los años venideros.