El cerebro de mosca, computadora de alta velocidad

Los neurobiólogos utilizan los últimos métodos técnicos para descifrar los fundamentos de la detección del movimiento. ¿Cómo podríamos seguir la celebración del mundial de fútbol si no pudiéramos distinguir el balón del fondo? Simplemente impensable. Pero entonces, ¡¿no sería fantástico si el delantero de tu equipo favorito pudiera ver los movimientos del esférico a cámara lenta?! Por desgracia, esta ventaja sólo pertenece a las moscas.

 

 

El pequeño cerebro de estos acróbatas aeronáuticos procesan los movimientos visuales en sólo fracciones de segundo. Así cómo se las arregla el cerebro de una mosca para percibir el movimiento, con la misma velocidad y precisión lo predice un modelo matemático. Sin embargo, 50 años de investigación más tarde, todavía se ignora cómo están interconectadalas las células nerviosas en el cerebro de la mosca. Los científicos del Instituto Max Planck de Neurobiología son los primeros en establecer con éxito las condiciones técnicas necesarias para la descodificación de los mecanismos subyacentes a la visión del movimiento. Los primeros análisis ya han demostrado que aún queda mucho más por descubrir (Nature Neuroscience 11 de julio 2010).


En 1956, se desarrolló un modelo matemático que predecía cómo eran reconocidos y procesados los movimientos en el cerebro de una mosca. Incontables experimentos han rubricado todas las suposiciones de este modelo. Y si algo queda claro, es la cuestión de que las células nerviosas se conectan entre sí en el cerebro de la mosca para funcionar como predice el modelo. "Simplemente no teníamos las herramientas técnicas necesarias para examinar las respuestas de todas y cada una de las células de la pequeña mosca, pero con un cerebro de alta potencia", explica Dierk Reiff, del Instituto Max Planck de Neurobiología en Martinsried. No es de extrañar, considerando el diminuto tamaño del área cerebral responsable de la detección de movimiento de la mosca. Así pues, tenemos que una sexta parte de un milímetro cúbico de materia cerebral contiene más de 100.000 células nerviosas, cada una con múltiples conexiones con sus células vecinas. Aunque parece casi imposible distinguir la reacción de una célula determinada ante cualquier estímulo de movimiento en particular, esto es precisamente lo que los neurobiólogos de Martinsried han logrado hacer.

El cerebro de una mosca gana a cualquier ordenador

La actividad eléctrica de las células nerviosas individuales se mide generalmente con la ayuda de electrodos muy finos. En la mosca, sin embargo, la mayoría de las células nerviosas son simplemente demasiado pequeñas como para ser medidas con este método. No obstante, el modelo animal de la mosca es en el que más se ha estudiado en detalle la percepción del movimiento, y los científicos están decididos a arrancar estos secretos del cerebro del insecto. Otro incentivo a considerar es que, si bien el número de células nerviosas en la mosca es relativamente pequeño, están altamente especializadas y procesan el flujo de imágenes con gran precisión, mientras la mosca está en pleno vuelo. Las moscas, por tanto, pueden producir una gran cantidad de información sobre los movimientos apropiados en su entorno en tiempo real, una hazaña que ningún equipo informático, y ciertamente ninguno del tamaño del cerebro de una mosca, puede igualar. Así que, descifrar este sistema sea una empresa que realmente valga la pena.

Moléculas fluorescentes y microscopios avanzados

"Tuvimos que encontrar la manera de observar la actividad de estas pequeñas células nerviosas sin electrodos", explicaba Dierk Reiff. Para superar este obstáculo, los científicos utilizaron la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y algunos de los métodos genéticos disponibles más recientes. Tuvieron éxito con la introducción de la molécula señalizadora TN-XXL en las células nerviosas individuales. Alterando sus propiedades fluorescentes, la TN-XXL indicaba la actividad de las células nerviosas.

Para examinar el proceso de movimiento en el cerebro de las moscas de la fruta, los neurobiólogos presentaron los insectos con patrones de movimiento a rayas en una pantalla iluminada con diodos. Las células nerviosas del cerebro de las moscas reaccionaban a estos impulsos LED de luz volviéndose activas, causando la luminancia de las moléculas indicadoras de cambio. Aunque estos cambios sean mucho mayores que los de las moléculas indicadoras anteriores, llevó su tiempo poder captar esta cantidad relativamente pequeña de luz y para separarla del impulso LED de luz. Esto nos tuvo desconcertados por un tiempo, sin embargo, Dierk Reiff resolvió el problema al sincronizar el microscopio láser de dos fotones con la pantalla LED, con una tolerancia de sólo unos pocos microsegundos. La señal TN-XXL, entonces, pudo separarse de la luz LED y medirse selectivamente, utilizando el microscopio de 2 fotones.

Las células y el modelo

"Por fin, tras más de 50 años de intentos, ahora es técnicamente posible examinar la construcción celular del detector de movimiento del cerebro de una mosca”, informaba complacido Alexander Borst, que ha estado persiguiendo este objetivo en su departamento durante varios años. Cuánto queda por descubrir se realizó durante la primera aplicación de los nuevos métodos. Los científicos comenzaron observando la actividad de unas células, conocidas como L2, que reciben información de los fotorreceptores del ojo. Estos fotorreceptores reaccionan cuando la intensidad de la luz aumenta o disminuye. La reacción de las células L2 es similar a esa parte de la célula donde se recoge la información de los fotorreceptores. Sin embargo, los neurobiólogos descubrieron que la célula L2 transforma estos datos y, concretamente, que transmite la información únicamente acerca de la reducción de la intensidad de luz a las siguientes células nerviosas. Estas últimas, calculan la dirección del movimiento y transmiten la información al sistema de control de vuelo. "Esto significa que la información "luz encendida" es filtrada por las células L2”, resume Dierk Reiff. "También significa, a su vez, que otro tipo de célula debe encargarse de pasar la orden “luz encendida", ya que la mosca reacciona a los dos tipos de señales."

Ahora que hemos dado el primer paso, los científicos se proponen examinar ‘célula por célula’ los circuitos de detección de movimiento del cerebro de la mosca, para explicar cómo se calcula la información del movimiento a nivel celular. Sus colegas de la articulación del proyecto Robotics esperan con impaciencia los resultados.