09.03.2023 - 20:00
Una investigació de deu anys ha cartografiat un cervell com no s’havia fet mai, amb un mapa neurona per neurona i totes les connexions del cervell d’una larva de la mosca de la fruita, la Drosophila melanogaster. El resultat s’ha publicat avui a la revista Science.
Fins ara, s’havien pogut cartografiar estructures cerebrals molt simples, que tenien uns pocs centenars de neurones cerebrals. Els avenços científics han permès ara de cartografiar el mapa complet de les neurones i les seves connexions. En l’equip de científics que ha fet la investigació, hi ha Albert Cardona, de la Universitat de Cambridge i autor del bloc de VilaWeb Neurobiologia i ciència.
El sistema nerviós d’un organisme, incloent-hi el cervell, és format per neurones connectades entre si per mitjà de sinapsis, i la informació passa d’una neurona a una altra en forma de substàncies químiques. En total, s’ha trobat que el cervell de la larva de la mosca de la fruita té 3.016 neurones i 548.000 sinapsis. En la cartografia s’han distingit tots els tipus de neurones –en total, noranta de diferents–, els centres, les vies d’alimentació i retroalimentació i les interaccions entre hemisferis del cervell i el cordó nerviós.
El mapa detalla cada una de les neurones i com es connecten les unes amb les altres, totes les entrades i sortides i el que es troba entremig, és a dir, les vies nervioses. Això és un gran pas endavant per a tractar qüestions fonamentals sobre el funcionament del cervell, especialment com es mouen els senyals per les neurones i les sinapsis i comprendre’n els comportaments.
La investigació s’ha fet amb un microscopi electrònic d’alta resolució que va escanejar milers de capes del cervell. Després, els investigadors van digitalitzar les imatges i les van reunir en un mapa tridimensional; amb l’ajut d’eines informàtiques, es va crear el mapa de tot el cervell, amb milers de seccions del cervell i afegint-hi minuciosament les connexions entre les neurones.
En la investigació s’ha pogut crear el repertori de comportament, incloent-hi l’aprenentatge i la selecció d’accions. Fins ara, la majoria de càlculs cerebrals eren desconeguts. Ara es podrà començar a tenir una comprensió mecanicista de com funciona el cervell.
Com funciona el cervell?
El mapa complet del connectoma inclou totes les entrades i totes les sortides, a més de totes les vies polisinàptiques des de les neurones sensorials fins a les neurones de sortida, en ambdós hemisferis cerebrals. En aquesta investigació, els científics han trobat una integració multisensorial i interhemisfèrica generalitzada i una arquitectura altament recurrent.
Els científics van desenvolupar eines informàtiques per a identificar les possibles vies de flux d’informació i els diferents tipus de vies, i van descobrir que algunes de les característiques estructurals eren similars a les arquitectures més avançades d’aprenentatge automàtic (deep learning). Els cervells contenen xarxes de neurones interconnectades, de manera que conèixer l’arquitectura de la xarxa és essencial per a entendre la funció cerebral.
Com hem esmentat, en total hi ha noranta tipus de neurones, cadascuna amb la seva forma, un patró de branques i una funció. A més, s’ha trobat que el 95,5% de les neurones estan polaritzades, és a dir, presenten axons i dendrites clarament segregats. Les entrades a les dendrites contribueixen a la funció d’integració de la neurona, i les entrades a l’axó en modulen la sortida.
El mapa complet ha de permetre d’entendre com viatgen els senyals pel cervell i pot servir per a esbrinar com interactuen les diferents regions del cervell entre si i, finalment, com sorgeix el comportament a escala neuronal. El següent pas pot ser aprofundir per comprendre els circuits cerebrals necessaris per a funcions comportamentals específiques, com ara, l’aprenentatge i la presa de decisions, i examinar l’activitat en tot el connectoma mentre l’insecte fa accions.
L’arquitectura cerebral identificada proporciona una base per a futurs estudis experimentals i teòrics de circuits neuronals. Ara mateix la tecnologia encara no és prou avançada per a cartografiar el connectoma d’animals més complexos, com ara els grans mamífers, però aquest estudi ha de servir com a referència per a futurs estudis. Els investigadors consideren que, atès que els animals tenen comportaments complexos, i han de processar informació sensorial, aprendre, seleccions aliments i moure’s per l’entorn, els patrons bàsics dels circuits que impulsen aquests comportaments fonamentals poden ser similars o els mateixos.
L’anàlisi futura d’aquestes similituds i diferències serà útil per a aprendre més sobre els principis computacionals del cervell i potser també inspira noves eines i enfocaments en la intel·ligència artificial.
