Un pequeño mapa para las moscas de la fruta, un gran salto para la neurociencia

Artículo original: One Small Map for Fruit Flies, One Giant Leap for Neuroscience,  Alexa Erdogan

Traducido por Samantha Arauz

Nota: este artículo explora un trabajo reciente que ha sido revisado y publicado en su forma preimpresa, antes de una revisión por pares.

Si bien hay cierta majestuosidad en las enrevesadas arrugas y pliegues del cerebro humano, también hay un sinfín de conocimiento que puede extraerse de los cerebros de animales diminutos. La humilde mosca de la fruta, por ejemplo, ha sido objeto de mucho estudio y fascinación en muchas áreas de la biología, incluida la neurociencia. A principios de este año, la colaboración ardua entre varias disciplinas e instituciones académicas ha demostrado lo mucho que podemos aprender cuando comprendemos la complejidad el pequeño cerebro de la mosca de la fruta.

Uno de esos trabajos fue liderado por un grupo de investigadores del «Janelia Research Campus» en Ashburn, Virginia, que se ha fascinado con los diminutos cerebros de las moscas de la fruta, o Drosophila. El pasado mes de mayo, el equipo publicó una base de datos de imágenes de microscopía electrónica que permite ver el cerebro completo de una mosca de la fruta, con visualizaciones de las conexiones sinápticas y las neuronas. Para apreciar este tipo de logro, es necesario entender que el cerebro de la mosca de la fruta contiene aproximadamente 100.000 neuronas y que el cerebro de la mosca, aunque parezca pequeño, es en realidad demasiado grande para las técnicas y configuraciones tradicionales de la microscopía electrónica. Por ello, el equipo se enfrentó al reto de desarrollar su propia configuración especializada de microscopía electrónica para rectificar ese problema tan singular.

La microscopía electrónica es conceptualmente similar a la microscopía óptica cotidiana a la que muchos de nosotros podemos estar acostumbrados. Los microscopios ópticos utilizan fotones para iluminar un portaobjetos, mientras que los microscopios electrónicos utilizan electrones acelerados en el vacío. La diferencia principal entre ambas técnicas radica en la longitud de onda de sus partículas. Una longitud de onda más corta significa una mayor resolución, y la longitud de onda de un electrón puede ser unas 1.000 veces menor que la de un fotón. Los microscopios electrónicos también pueden acelerar estos electrones, y unos electrones más rápidos significan longitudes de onda más cortas (y resoluciones mayores). Sin embargo, la reflexión de estos electrones no puede realizarse con las lentes típicas que utilizan los microscopios ópticos. Los microscopios electrónicos tienen que utilizar lentes electromagnéticas, es decir, que emiten un campo electromagnético que altera los electrones cuando estos las atraviesan rumbo hacia la muestra. Por ejemplo, al alterar la velocidad de los electrones para acelerarlos, el microscopio puede hacerlos atravesar una muestra biológica preparada. Las lentes magnéticas y las cámaras pueden entonces analizar los cambios de estos electrones tras su paso por la muestra, permitiendo así que los investigadores vean el aspecto de la muestra en su interior. Esta técnica descrita se denomina microscopía electrónica de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés), y permitió a los investigadores de este estudio echar un vistazo al interior del pequeño cerebro de una mosca muy especial.

Sin embargo, utilizar el TEM tradicional para observar el cerebro intacto de una mosca de la fruta sería complicado. Hasta ahora sólo se habían obtenido imágenes con resoluciones lo suficientemente altas como para ver y trazar las conexiones sinápticas en secciones del cerebro de la mosca de la fruta. Sin embargo, el volumen del cerebro de la mosca de la fruta que este grupo de investigación estaba examinando tendría un tamaño dos órdenes de magnitud (es decir 100 veces) mayor que el siguiente cerebro intacto que le sigue que se ha escaneado hasta el momento. Para un volumen tan enorme, el equipo necesitaría poder captar imágenes de una forma más rápida, una mayor calidad de la señal en comparación con el ruido de fondo y por último, una manera más eficiente y automatizada de escanear el tejido.

Así es como nació el TEMCA2, un TEM de segunda generación especializado en volúmenes desarrollado por el propio equipo y acoplado a su sistema robótico, el «Autoloader», capaz de intercambiar muestras y controlar el TEMCA2. Una vez establecida la infraestructura robótica y tecnológica, el equipo tuvo que preparar manualmente 7.062 secciones para la obtención y procesamiento de imágenes.

Los datos que obtuvieron durante los 16 meses siguientes fueron abundantes. Del conjunto de datos que contiene alrededor de 21 millones de imágenes, los investigadores pudieron ver imágenes más claras de circuitos neuronales previamente conocidos por permitir la entradas de señales olfativas; aquellas que llevan información sobre el olor. Los investigadores también tomaron imágenes de una región llamada «cuerpo de hongo» que está implicada en el aprendizaje, la memoria y la plasticidad sináptica (la capacidad de las sinapsis de cambiar su intensidad). Aquí, las imágenes de microscopía electrónica revelaron un tipo de célula neuronal olfativa completamente nueva (denominada MB-CP2). La célula MB-CP2 es singular entre los miembros de su tipo celular debido a que recibe información de múltiples entradas sensoriales, así como de ciertas áreas dentro de una región del cerebro de la mosca llamada protocerebro (un área típicamente asociada con los nervios ópticos y el procesamiento visual en los insectos).

Aunque estas regiones del protocerebro requieren ser investigadas más a fondo, los científicos saben que están inervadas por neuronas sensoriales y motoras, lo que sugiere que la neurona olfativa MB-CP2 puede desempeñar un papel en la integración de las entradas sinápticas de varias fuentes de estímulos. La célula MB-CP2 también parece comunicarse con las células de Kenyon, neuronas propias del cuerpo de hongo que participan en el aprendizaje y la memoria, a través de un circuito desconocido hasta ahora por los investigadores. Dado que las células MB-CP2 parecen integrar información procedente de múltiples fuentes sensoriales, esto puede sugerir que la memoria y el aprendizaje vinculados a los sentidos pueden producirse en la mosca a través de este y otros circuitos similares.

En el transcurso del análisis los investigadores también pusieron de manifiesto vías que antes no se habían clarificado. Observaron que las células de Kenyon participaban en vías de comunicación no solo entre sí, sino también con una célula denominada neurona lateral pareada anterior. Curiosamente, los estudios de esta neurona han demostrado su participación en la memoria y el aprendizaje, especialmente en relación con los estímulos olfativos. Estos hallazgos pueden sugerir, una vez más, vías adicionales para el aprendizaje basadas en los sentidos, especialmente en respuesta a lo que la mosca está oliendo en ese momento.

Además de descubrir estos nuevos tipos de células y vías, las imágenes cerebrales procesadas permitieron obtener un cuadro más claro de las estructuras y vías estudiadas anteriormente. El método de escaneo por microscopía electrónica reveló la existencia de grupos estrechos de neuronas olfativas en el cuerpo de hongo, mucho más densamente agrupados de lo que la microscopía óptica nos indicaba. Los investigadores han sugerido que es posible que estas neuronas se agrupen de forma diferente en moscas individuales. Tal vez esa diferencia podría estar relacionada con las diferentes exposiciones individuales a diversos entornos olfativos y de aprendizaje. De ser así, es posible que el cerebro de cada mosca también sea más único de lo que se imaginaba. Este hallazgo podría suscitar un debate sobre la individualidad de los insectos, en particular. Es posible que la mosca de la fruta que zumbaba en nuestra cocina el mes pasado tuviese un cerebro ligeramente diferente al de la mosca de la fruta que espantamos hace dos días. En cualquier caso, habría que seguir investigando para explorar estos conceptos.

En general, esta imagen compuesta del cerebro de la mosca de la fruta permite a los investigadores observar el panorama general. Examinar las vías neuronales de todo un cerebro podría ayudar a identificar neuronas específicas y cómo contribuyen al funcionamiento, el comportamiento y el desarrollo. Se podrían estudiar nuevas vías neuronales y analizar mejor las vías neuronales ya conocidas. Una de las características más interesantes y destacadas de este estudio es la red de vías implicadas en el aprendizaje, la memoria y la plasticidad. Al comprender mejor estas vías, los investigadores podrían profundizar el conocimiento sobre la neuroplasticidad y el aprendizaje en el cerebro de la mosca, lo que podría guiar nuestra forma de pensar y comprender los cerebros de los mamíferos, como el nuestro.

Si el examinar algunas de estas imágenes del cerebro de la mosca de la fruta suena como una noche de viernes ideal, estamos de suerte. El conjunto de datos de la investigación, que se publicó en bioRxiv a principios de este año, se ha puesto a disposición del público de forma gratuita en un esfuerzo por beneficiar a la neurociencia de Drosophila. Sin embargo, podría requerir unos cuantos discos duros, teniendo en cuenta que el tamaño total de estos archivos es de unos espeluznantes 26 TB.

No obstante, es importante señalar que al momento de redactar este artículo, se había accedido al documento en su forma preimpresa antes de la revisión por pares. El tiempo y los experimentos de corroboración nos ayudarán a determinar el verdadero valor de esta técnica, tanto para las vías neuronales conocidas, como para las nuevas.

¡Para obtener una mejor perspectiva sobre los cerebros de múltiples especies, consulte nuestra serie de cerebros extraños de animales!

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Written by Alexa Erdogan

Imagen por Huixuan Liang

Traducido por Samantha Arauz

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Referencias:
Liu, X., & Davis, R. L. (2009). The GABAergic anterior paired lateral neuron suppresses and is suppressed by olfactory learning. Nature neuroscience 12 (1):

Peddie, C. J., & Collinson, L. M. (2014). Exploring the third dimension: volume electron microscopy comes of age. Micron, 61, 9-19.

“What is Electron Microscopy?” John Innes Centre. Retrieved on October 12, 2017 from: https://www.jic.ac.uk/microscopy/intro_EM.html

Yeager, Ashley (31 May 2017). “Entire Fruit Fly Brain Imaged with Electron Microscopy” The Scientist. Retrieved on June 30, 2017 from: http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/49552/title/Entire-Fruit-Fly-Brain-Imaged-with-Electron-Microscopy/

Zheng, Z., Lauritzen, J. S., Perlman, E., Robinson, C. G., Nichols, M., Milkie, D., … & Calle-Schuler, S. A. (2017). A Complete Electron Microscopy Volume Of The Brain Of Adult Drosophila melanogaster. bioRxiv, 140905.

Alexa Erdogan

Alexa Erdogan cursa actualmente una maestría en Ingeniería de Sistemas Espaciales en la Universidad John Hopkins. Aunque al principio se dedicó a la biología molecular y celular y a la neurociencia, desde entonces ha combinado esos campos con la ciencia espacial, lo que la ha llevado a buscar su última frontera: la neurociencia espacial Su investigación previa ha profundizado en el papel de la microglía en el preacondicionamiento isquémico, mientras que sus actividades actuales exploran el impacto que el espacio exterior tiene en los sistemas neurológicos de varias especies. Fuera de la investigación, trata de compartir su pasión por la ciencia con otras mentes curiosas utilizando la comunicación científica a través de varios medios, desde impresos hasta podcasts.