El primer mapa de un cerebro, de una larva de mosca, acerca el sue?o de entender la mente humana

La humanidad solo hab¨ªa sido capaz de mapear c¨¦lula a c¨¦lula tres min¨²sculos sistemas nerviosos con unos pocos cientos de neuronas: el del gusano de laboratorio Caenorhabditis elegans, el de la larva del invertebrado marino Platynereis dumerilii y el de un diminuto animal que vive pegado a las rocas oce¨¢nicas, Ciona intestinalis. Un equipo encabezado por el bi¨®logo espa?ol Albert Cardona y su colega croata ...

La humanidad solo hab¨ªa sido capaz de mapear c¨¦lula a c¨¦lula tres min¨²sculos sistemas nerviosos con unos pocos cientos de neuronas: el del gusano de laboratorio Caenorhabditis elegans, el de la larva del invertebrado marino Platynereis dumerilii y el de un diminuto animal que vive pegado a las rocas oce¨¢nicas, Ciona intestinalis. Un equipo encabezado por el bi¨®logo espa?ol Albert Cardona y su colega croata Marta Zlatic han firmado ahora una haza?a cient¨ªfica: el mapa del cerebro completo de la larva de la mosca de la fruta, una estructura con 3.016 neuronas y 548.000 conexiones entre ellas. ¡°Hemos multiplicado por 10 lo que se hab¨ªa conseguido hasta ahora¡±, celebra Cardona, del legendario Laboratorio de Biolog¨ªa Molecular de Cambridge (Reino Unido), cuyos cient¨ªficos han ganado una docena de premios Nobel.

El bi¨®logo, nacido en Tarragona hace 44 a?os, explica la magnitud del avance. ¡°Imaginemos que el metro de una ciudad tuviera 3.000 estaciones y cada una de ellas estuviera comunicada con otras 200¡å, ilustra. La complejidad del cerebro de la larva de la mosca de la fruta, sin embargo, palidece ante la estructura m¨¢s sofisticada sobre la faz de la Tierra: el cerebro humano, un ¨®rgano de kilo y medio con 86.000 millones de neuronas. ¡°Tres millares de neuronas parecen muy pocas, pero esta larva es capaz de navegar por gradientes de luz o de olores, puede encontrar comida por s¨ª misma, tiene memoria a corto y a largo plazo. Es un animal muy autosuficiente¡±, apunta Cardona. Su proeza se publica este jueves en la revista Science, escaparate de la mejor ciencia mundial.

La persona que empez¨® a hacer un mapa del cerebro humano fue el espa?ol Santiago Ram¨®n y Cajal, en 1888. Con un rudimentario microscopio en su laboratorio de Barcelona, el investigador demostr¨® que el ¨®rgano de la mente no era una masa difusa, como se pensaba hasta entonces, sino que estaba organizado en c¨¦lulas individuales: las neuronas. Cajal comenz¨® entonces una tarea tit¨¢nica, dibujando a mano con maestr¨ªa cada estructura cerebral, c¨¦lula a c¨¦lula, con sus conexiones, a las que ¨¦l llamaba po¨¦ticamente ¡°besos¡±.

El equipo de Albert Cardona ha empleado m¨¦todos m¨¢s sofisticados. Hace una docena de a?os, los cient¨ªficos extrajeron con unas pinzas el sistema nervioso de una larva de mosca de la fruta. Lo cortaron en unas 5.000 lonchas ultrafinas y las observaron con un microscopio electr¨®nico. El bi¨®logo ide¨® un software que permite unir con precisi¨®n esas im¨¢genes ¡ªigual que un tel¨¦fono m¨®vil junta varias fotos en una ¨²nica panor¨¢mica¡ª y navegar por ese volumen tridimensional, como si fuera Google Maps.

Las aplicaciones de un mapa cerebral son inimaginables. Cardona cita el trabajo de un compa?ero de su laboratorio, el neurobi¨®logo Pedro G¨®mez G¨¢lvez, uno de los cient¨ªficos espa?oles que en 2018 anunciaron el descubrimiento de unas nuevas formas geom¨¦tricas: los escutoides, una especie de prismas retorcidos observados por primera vez en las gl¨¢ndulas salivales de las moscas de la fruta. G¨®mez G¨¢lvez est¨¢ comparando cerebros completos de larvas normales con los de otras larvas modificadas gen¨¦ticamente para imitar los s¨ªntomas del p¨¢rkinson. Otros trastornos poco comprendidos ¡ªcomo el autismo, la esquizofrenia y la epilepsia¡ª surgen por una desviaci¨®n del desarrollo cerebral t¨ªpico.

El f¨ªsico estadounidense Emerson Pugh dej¨® una frase para la historia antes de morir en 1981: ¡°Si el cerebro humano fuera tan simple que pudi¨¦ramos entenderlo, nosotros ser¨ªamos tan simples que no lo entender¨ªamos¡±. Es la paradoja del cerebro, una estructura tan sofisticada que es incapaz de imaginarse a s¨ª misma. Cardona, sin embargo, es optimista. Cree que obtener un mapa del cerebro humano con sus conexiones neurona a neurona ¡ªel llamado conectoma¡ª es solo cuesti¨®n de tiempo. ¡°El cerebro del rat¨®n se va a hacer en los pr¨®ximos 10 o 15 a?os. La pregunta es cu¨¢nto va a costar. Hay varios proyectos proponi¨¦ndolo, pero estamos hablando de entre 500 y 1.000 millones de d¨®lares solo para hacer el trabajo preliminar¡±, calcula el bi¨®logo. ¡°Y el cerebro humano requerir¨¢ una cantidad absurda de recursos¡±, vaticina.

Cardona explica que su colega Gregory Jefferis ya est¨¢ mapeando en Cambridge el cerebro de la mosca adulta. Los resultados se esperan a partir del a?o que viene. Otro objetivo obvio ser¨ªa la abeja de la miel, con un mill¨®n de neuronas. ¡°Tenemos que entrar en el cerebro de la abeja, porque posee la capacidad del lenguaje y la de recordar sitios concretos a lo largo de kil¨®metros de paisajes. ?C¨®mo lo hace? ?C¨®mo explica a otra abeja c¨®mo ir a un lugar? Todo eso se puede estudiar si se conoce su cableado neuronal¡±, afirma Cardona.

El neurocient¨ªfico Rafael Yuste, catedr¨¢tico de la Universidad de Columbia (EE UU), considera ¡°espectacular¡± el mapa del cerebro de la larva. Este investigador estaba en 1985 en el laboratorio del bi¨®logo sudafricano Sydney Brenner, tambi¨¦n en Cambridge, cuando este equipo hizo un primer intento de mapear las 302 neuronas del Caenorhabditis elegans. Aquel estudio llevaba un t¨ªtulo provocador: La mente del gusano. Yuste recuerda que aquel trabajo pionero fue muy artesanal, ¡°casi heroico¡±, mientras que ahora es un proceso pr¨¢cticamente industrial. A su juicio, el progreso hacia cerebros m¨¢s complejos es ¡°inexorable¡±.

Yuste es uno de los impulsores del futuro Centro Nacional de Neurotecnolog¨ªa Spain Neurotech, en Madrid. ¡°Es muy dif¨ªcil realizar estos estudios, se necesitan equipos enormes, con mucha inversi¨®n de tiempo y trabajo. Por eso es importante coordinar la financiaci¨®n y los esfuerzos a nivel nacional e internacional en neurotecnolog¨ªa. Se est¨¢ estudiando el mapear el conectoma del rat¨®n en una colaboraci¨®n a nivel mundial¡±, argumenta el catedr¨¢tico. El cerebro de un rat¨®n es un mill¨®n de veces m¨¢s grande que el de la larva de una mosca.

Albert Cardona cuenta que se han encontrado con una ¡°sorpresa¡± en el cerebro de la larva. Su arquitectura se parece mucho a las de las modernas redes neuronales artificiales, como ResNet, DenseNet y U-Net, empleadas en sofisticados programas inform¨¢ticos de aprendizaje autom¨¢tico. ¡°En las redes neuronales tradicionales, cada capa de neuronas solamente se conecta con la siguiente. El quid de la cuesti¨®n son las conexiones que se saltan capas. Ah¨ª est¨¢ la ra¨ªz de sus capacidades excepcionales¡±, explica Cardona.

El bi¨®logo espa?ol considera ¡°alucinante¡± lo que son capaces de hacer estos seres con solo 3.000 neuronas. Cardona destaca que las larvas de la mosca de la fruta, como otros muchos insectos, suelen tener en su interior una avispa par¨¢sita, como el monstruo de la pel¨ªcula Alien. ¡°La larva de la mosca lo detecta y va a comer alimento enriquecido en alcohol, fruta fermentada, para medicarse, porque ese alcohol mata el par¨¢sito que tiene dentro¡±, relata el investigador.

Cardona subraya la complejidad organizativa de esas 3.000 neuronas. Adem¨¢s del salto de capas, hay conexiones en bucle, de manera similar a las redes neuronales artificiales LSTM, que se utilizan en miles de millones de computadoras a diario. El bi¨®logo conf¨ªa en que el cerebro de la larva de la mosca dar¨¢ lugar a nuevos sistemas de inteligencia artificial, con un aprendizaje autom¨¢tico m¨¢s poderoso que los actuales. ¡°Ya hay inform¨¢ticos inspir¨¢ndose en los circuitos cerebrales de nuestra larva¡±, aplaude. A largo plazo, el objetivo es mucho m¨¢s ambicioso, seg¨²n ha proclamado otro de los coautores del mapa, el ingeniero biom¨¦dico Joshua Vogelstein, de la Universidad Johns Hopkins (EE UU): ¡°Entender qui¨¦nes somos y c¨®mo pensamos¡±.

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