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

La humanidad solo había sido capaz de mapear célula a célula tres minúsculos 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 oceánicas, Ciona intestinalis. Un equipo encabezado por el biólogo español Albert Cardona y su colega croata Marta Zlatic han firmado ahora una hazaña científica: 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 había conseguido hasta ahora”, celebra Cardona, del legendario Laboratorio de Biología Molecular de Cambridge (Reino Unido), cuyos científicos han ganado una docena de premios Nobel.

El biólogo, nacido en Tarragona hace 44 años, 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″, ilustra. La complejidad del cerebro de la larva de la mosca de la fruta, sin embargo, palidece ante la estructura más sofisticada sobre la faz de la Tierra: el cerebro humano, un órgano 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 sí 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 empezó a hacer un mapa del cerebro humano fue el español Santiago Ramón y Cajal, en 1888. Con un rudimentario microscopio en su laboratorio de Barcelona, el investigador demostró que el órgano de la mente no era una masa difusa, como se pensaba hasta entonces, sino que estaba organizado en células individuales: las neuronas. Cajal comenzó entonces una tarea titánica, dibujando a mano con maestría cada estructura cerebral, célula a célula, con sus conexiones, a las que él llamaba poéticamente “besos”.

El equipo de Albert Cardona ha empleado métodos más sofisticados. Hace una docena de años, los científicos 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 electrónico. El biólogo ideó un software que permite unir con precisión esas imágenes —igual que un teléfono móvil junta varias fotos en una única panorámica— 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 compañero de su laboratorio, el neurobiólogo Pedro Gómez Gálvez, uno de los científicos españoles que en 2018 anunciaron el descubrimiento de unas nuevas formas geométricas: los escutoides, una especie de prismas retorcidos observados por primera vez en las glándulas salivales de las moscas de la fruta. Gómez Gálvez está comparando cerebros completos de larvas normales con los de otras larvas modificadas genéticamente para imitar los síntomas del párkinson. Otros trastornos poco comprendidos —como el autismo, la esquizofrenia y la epilepsia— surgen por una desviación del desarrollo cerebral típico.

El físico estadounidense Emerson Pugh dejó una frase para la historia antes de morir en 1981: “Si el cerebro humano fuera tan simple que pudiéramos entenderlo, nosotros seríamos tan simples que no lo entenderíamos”. Es la paradoja del cerebro, una estructura tan sofisticada que es incapaz de imaginarse a sí misma. Cardona, sin embargo, es optimista. Cree que obtener un mapa del cerebro humano con sus conexiones neurona a neurona —el llamado conectoma— es solo cuestión de tiempo. “El cerebro del ratón se va a hacer en los próximos 10 o 15 años. La pregunta es cuánto va a costar. Hay varios proyectos proponiéndolo, pero estamos hablando de entre 500 y 1.000 millones de dólares solo para hacer el trabajo preliminar”, calcula el biólogo. “Y el cerebro humano requerirá una cantidad absurda de recursos”, vaticina.

Cardona explica que su colega Gregory Jefferis ya está mapeando en Cambridge el cerebro de la mosca adulta. Los resultados se esperan a partir del año que viene. Otro objetivo obvio sería la abeja de la miel, con un millón 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 kilómetros de paisajes. ¿Cómo lo hace? ¿Cómo explica a otra abeja cómo ir a un lugar? Todo eso se puede estudiar si se conoce su cableado neuronal”, afirma Cardona.

El neurocientífico Rafael Yuste, catedrático 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 biólogo sudafricano Sydney Brenner, también en Cambridge, cuando este equipo hizo un primer intento de mapear las 302 neuronas del Caenorhabditis elegans. Aquel estudio llevaba un título provocador: La mente del gusano. Yuste recuerda que aquel trabajo pionero fue muy artesanal, “casi heroico”, mientras que ahora es un proceso prácticamente industrial. A su juicio, el progreso hacia cerebros más complejos es “inexorable”.

Yuste es uno de los impulsores del futuro Centro Nacional de Neurotecnología Spain Neurotech, en Madrid. “Es muy difícil realizar estos estudios, se necesitan equipos enormes, con mucha inversión de tiempo y trabajo. Por eso es importante coordinar la financiación y los esfuerzos a nivel nacional e internacional en neurotecnología. Se está estudiando el mapear el conectoma del ratón en una colaboración a nivel mundial”, argumenta el catedrático. El cerebro de un ratón es un millón de veces más 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 informáticos de aprendizaje automático. “En las redes neuronales tradicionales, cada capa de neuronas solamente se conecta con la siguiente. El quid de la cuestión son las conexiones que se saltan capas. Ahí está la raíz de sus capacidades excepcionales”, explica Cardona.

El biólogo español 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 parásita, como el monstruo de la película 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 parásito que tiene dentro”, relata el investigador.

Cardona subraya la complejidad organizativa de esas 3.000 neuronas. Además 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 biólogo confía en que el cerebro de la larva de la mosca dará lugar a nuevos sistemas de inteligencia artificial, con un aprendizaje automático más poderoso que los actuales. “Ya hay informáticos inspirándose en los circuitos cerebrales de nuestra larva”, aplaude. A largo plazo, el objetivo es mucho más ambicioso, según ha proclamado otro de los coautores del mapa, el ingeniero biomédico Joshua Vogelstein, de la Universidad Johns Hopkins (EE UU): “Entender quiénes somos y cómo pensamos”.

Puedes escribirnos a mansede@elpais.es o seguir a MATERIA en Facebook, Twitter, Instagram o suscribirte aquí a nuestro boletín.