Una nueva investigación pionera ha documentado la complejidad y el diseño de los cerebros de las moscas de la fruta (Drosphila melanogaster). Muchos de los resultados se publicaron en una serie de artículos en la revista Nature. La base de la investigación es la finalización del diagrama de cableado completo (llamado conectoma) del cerebro de la mosca de la fruta, que consta de 140.000 neuronas1. Además, incluye más de 50 millones de conexiones (sinapsis químicas)2. Hay que tener en cuenta que, a pesar de la cantidad de neuronas y conexiones, los cerebros de las moscas de la fruta son diminutos, más pequeños que una semilla de amapola. Anteriormente, los investigadores habían cartografiado los cerebros de algunos otros organismos, incluido el gusano redondo C. elegans, sin embargo, sus cerebros constan de solo 302 neuronas.

La mayor parte del trabajo fue realizado por un grupo de investigadores llamado consorcio FlyWire. Se espera que la finalización del proyecto y la investigación en curso resulten en una revolución en la neurociencia. Hasta ahora se creía que los cerebros con cientos de miles de neuronas eran demasiado grandes para mapear y evaluar su funcionamiento con mucho detalle. Pero los resultados son un primer paso para lograrlo y, potencialmente, para mapear al menos segmentos de cerebros más grandes (incluidos los humanos con más de 80 mil millones de neuronas y 100 billones de conexiones). La investigación ya ha revelado una serie de hallazgos importantes y, en algunos casos, sorprendentes.

Tipos de neuronas

La investigación ha identificado al menos 8.453 tipos de células neuronales3. Un tipo de célula neuronal es un grupo que tiene una morfología y conectividad similares. Esto se compara con el gusano C. elegans que tiene 118 tipos de células4. La investigación también identificó diferentes clases de neuronas, dependiendo de su función. Los ejemplos incluyen neuronas sensoriales (etiquetadas como aferentes) que envían señales desde los órganos sensoriales al cerebro. Las neuronas motoras y endocrinas (etiquetadas como eferentes) envían señales desde el cerebro a los músculos y otros órganos5.

Anteriormente, algunos teorizaron que las neuronas cerebrales podrían ser como «copos de nieve», es decir, cada una es única. Eso implicaría que su desarrollo y conexiones son esencialmente un proceso aleatorio. Sin embargo, la investigación confirma que generalmente no es así. Hay alguna evidencia de aleatoriedad, ya que un análisis muestra que «más del 50% del gráfico del conectoma es un copo de nieve. Por supuesto, estos bordes no reproducibles [conexiones] son ​​en su mayoría débiles»6. El análisis muestra que «las neuronas ocasionalmente hacen algo inesperado (toman una ruta diferente o hacen una ramificación adicional en un lado del cerebro). Nuestra hipótesis es que tales diferencias estocásticas son una variabilidad inadvertida presente en la mayoría de los cerebros… En conclusión, no hemos recolectado un copo de nieve»7. Esto significa que las conexiones más fuertes están en gran medida estereotipadas y no varían de manera aleatoriamente significativa. Por el contrario, los hallazgos muestran de manera convincente que la estructura cerebral tampoco es un tipo de red regular, como en los cristales.

Complejidad

Las moscas de la fruta presentan una serie de comportamientos complejos, entre ellos el control del vuelo (flotar, cambios rápidos de dirección), la navegación, el cortejo de apareamiento mediante feromonas y la formación de enjambres. Por lo tanto, no es de extrañar que sus cerebros muestren complejidad. La conexión neuronal media de la mosca de la fruta consta de 12,6 sinapsis8. Las neuronas individuales suelen tener menos de 10 conexiones, pero algunas tienen más de 100, e incluso unas pocas tienen 1.0009. Esto significa que no hay una distribución uniforme de neuronas ni de conexiones. La investigación ha podido incluso trazar un mapa del flujo de información a lo largo del cerebro. El cerebro de la mosca de la fruta consta de áreas de funciones especializadas. Estas incluyen el procesamiento visual, el olfato, el oído, los sensores mecánicos y los sensores de temperatura. Otro indicio de funciones especializadas es el informe de un proyecto de investigación que analizó 78 «subredes» anatómicamente distintas en el cerebro10. Este mismo análisis concluyó: «La estructura local del cerebro muestra un alto grado de no aleatoriedad, en consonancia con estudios previos en C. elegans y en la corteza del ratón»11.

La estructura general del cerebro es consistente entre las moscas de la fruta, basándose en el hallazgo de «[un] alto grado de estereotipia en todos los niveles; los recuentos de neuronas son altamente consistentes entre cerebros, al igual que las conexiones por encima de un cierto peso»12. Esto es consistente con investigaciones previas con diferentes cerebros de insectos13.

Otro hallazgo de la investigación es que el cerebro de la mosca de la fruta exhibe las características de lo que se llama una «red de mundo pequeño», donde los «nodos están altamente agrupados y las longitudes de los caminos son cortas»14. Otros ejemplos de redes de mundo pequeño son las redes eléctricas, las rutas de trenes y los circuitos electrónicos. El cerebro de C. elegans fue el primer ejemplo identificado de una red neuronal de mundo pequeño. Las características de las redes de mundo pequeño incluyen «propagación de señales mejorada, poder computacional y capacidad de sincronización»15. El beneficio clave para la función cerebral es que proporciona «comunicación global altamente efectiva entre neuronas»16.

En general, la investigación muestra que el cerebro de la mosca de la fruta tiene un alto grado de complejidad, pero lo que es más importante, gran parte de ella es complejidad específica. Esto incluye el diseño de ingeniería de las diversas redes y subredes neuronales especializadas. Algunos de los principios de diseño de ingeniería que son evidentes en aspectos del cerebro incluyen optimización, eficiencia y coherencia. Por más complejo que sea el cerebro hasta ahora según la investigación, es probable que sea incluso más complejo de lo que parece ser actualmente, ya que las conexiones eléctricas aún deben mapearse por completo de una manera similar a las conexiones químicas.

  1. Anita V. Devineni, “A complete map of the fruit-fly brain,” Nature, Vol. 634, 3 Octubre 2024, 35-36. ↩︎
  2. Dorkenwald, et al., “Neuronal wiring diagram of an adult brain,” Nature, Vol. 634, 3 Octubre 2024, 124. ↩︎
  3. Schlegel, et al., “Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosphila,” Nature, Vol. 634, 3 Octubre 2024, 149. ↩︎
  4. Oliver Hobert, Lori Glenwinkel, and John White, “Revisiting Neuronal Cell Type Classification in Caenorhabditis elegans,” Current Biology, R1197-R1203, Noviembre 21, 2016. ↩︎
  5. Dorkenwald, et al., “Neuronal wiring diagram of an adult brain,” 126. ↩︎
  6. Schlegel, et al., “Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosphila,” 150. ↩︎
  7. Schlegel et al., “Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosphila,” 150. ↩︎
  8. Lin, et al., “Network statistics of the whole-brain connectome of Drosphila,” Nature, Vol. 634, 3 Octobre 2024,154. ↩︎
  9. Dorkenwald, et al., “Neuronal wiring diagram of an adult brain,” 129. ↩︎
  10. Lin, et al., “Network statistics of the whole-brain connectome of Drosphila,” 153-165. ↩︎
  11. Lin, et al., “Network statistics of the whole-brain connectome of Drosphila,” 158. ↩︎
  12. Schlegel et al., “Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosphila,” 150. ↩︎
  13. Schlegel et al., “Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosphila,” 150. ↩︎
  14. Lin, et al., “Network statistics of the whole-brain connectome of Drosphila,” 157. ↩︎
  15. Duncan J. Watts and Steven H. Strogatz, “Collective dynamics of ‘small-world’ networks,” Nature, Vol. 393, 4 June 1998, 440-442. ↩︎
  16. Lin, et al., “Network statistics of the whole-brain connectome of Drosphila,” 157. ↩︎

Artículo publicado originalmente en inglés por Eric Cassell en Evolution News & Science Today