Descifrando el código que vincula el cerebro y el comportamiento en un solo animal

Para comprender la relación completa entre la actividad cerebral y el comportamiento, los científicos necesitaban una forma de mapear esa relación con todas las neuronas en todo el cerebro, un desafío hasta ahora insuperable. Pero después de inventar nuevas tecnologías y métodos con ese fin, un equipo de científicos del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT produjo una contabilidad rigurosa de las neuronas en el cerebro manejable de un humilde gusano C. elegans, mapeando cómo sus células cerebrales codifican casi todos de sus comportamientos esenciales como moverse y comer.

en el diario Celúla, el equipo presenta nuevas grabaciones de todo el cerebro y un modelo matemático que predice con precisión las formas versátiles en que las neuronas representan los comportamientos del gusano. Al aplicar este modelo específicamente a cada célula, el equipo produjo un atlas de cómo la mayoría de las células y los circuitos en los que participan codifican las acciones del animal. El atlas revela así la «lógica» subyacente de cómo el cerebro del gusano produce un repertorio sofisticado y flexible de comportamientos incluso cuando cambian sus circunstancias ambientales.

«Este estudio proporciona un mapa global de cómo se organiza el sistema nervioso del animal para controlar el comportamiento», dijo el autor principal Steven Flavell, profesor asociado en el Departamento de Ciencias Cerebrales y Cognitivas del MIT. «Muestra cómo los muchos nodos definidos que componen el sistema nervioso del animal codifican rasgos de comportamiento precisos y cómo esto depende de factores como la experiencia reciente y el estado actual del animal».

Los estudiantes de posgrado Jungsoo Kim y Adam Atanas, quienes obtuvieron su doctorado esta primavera por la investigación, son los coautores principales del estudio. También hicieron que todos sus datos y los hallazgos de su modelo y atlas estuvieran disponibles gratuitamente para otros investigadores en un sitio web llamado the GusanoWideWeb.

Microscopios para maquetas

Para realizar las mediciones necesarias para desarrollar su modelo, el laboratorio de Flavell inventó un nuevo microscopio y un sistema de software que rastrea automáticamente casi todos los comportamientos del gusano (movimiento, alimentación, sueño, puesta de huevos, etc.) cuando se acumulan los iones de calcio).

Distinguir y rastrear de manera confiable neuronas separadas a medida que el gusano se retuerce y se dobla requirió crear un software personalizado utilizando las últimas herramientas de aprendizaje automático. Demostró tener una precisión del 99,7 % en el muestreo de actividades neuronales individuales con una relación señal/ruido muy mejorada en comparación con los sistemas anteriores, informan los científicos.

El equipo usó el sistema para registrar el comportamiento simultáneo y los datos neuronales de más de 60 gusanos mientras deambulaban por sus placas, haciendo lo que querían.

El análisis de los datos reveló tres nuevas observaciones sobre la actividad neuronal en el gusano: las neuronas rastrean el comportamiento no solo en el momento presente, sino también en el pasado reciente; ajustan su codificación de comportamientos, como el movimiento, en función de una sorprendente variedad de factores; y muchas neuronas codifican simultáneamente múltiples comportamientos.

Por ejemplo, aunque el comportamiento de retorcerse alrededor de un pequeño plato de laboratorio puede parecer un acto muy simple, las neuronas representan factores como la velocidad, la dirección y si el gusano está comiendo o no. En algunos casos, representaban el movimiento del animal retrocediendo en el tiempo alrededor de un minuto.

Al codificar el movimiento reciente, en lugar del movimiento actual, estas neuronas podrían ayudar al gusano a calcular cómo sus acciones pasadas influyeron en su resultado actual. Muchas neuronas también combinaron información de comportamiento para realizar maniobras más complejas. Así como un conductor humano podría recordar conducir el automóvil en la dirección opuesta cuando retrocede en lugar de avanzar, ciertas neuronas en el cerebro del gusano integraron la dirección de movimiento del animal y la dirección de viaje.

Al analizar cuidadosamente estos tipos de patrones de cómo la actividad neuronal se correlaciona con los comportamientos, los científicos han desarrollado el modelo de codificación neuronal probabilística de C. elegans. El modelo, encapsulado en una sola ecuación, explica cómo cada neurona representa múltiples factores para predecir con precisión si la actividad neuronal refleja el comportamiento y cómo lo hace. Casi el 60% de las neuronas en la cabeza del gusano fueron responsables de al menos un comportamiento.

Al ajustar el modelo, el equipo de investigación utilizó un enfoque de modelado probabilístico que les permitió comprender qué tan seguros estaban acerca de cada parámetro del modelo de ajuste, un enfoque iniciado por el coautor Vikash Mansinghka, uno de los principales investigadores que lidera el Proyecto de Computación. Probabilística del MIT.

haciendo un atlas

Al crear un modelo que podría cuantificar y predecir cómo una célula cerebral determinada representaría el comportamiento, el equipo inicialmente recopiló datos de las neuronas sin rastrear las identidades específicas de las células. Pero uno de los principales objetivos del estudio de los gusanos es comprender cómo cada célula y circuito contribuye al comportamiento. Entonces, para aplicar la capacidad del modelo a cada una de las neuronas específicas del gusano, que ya habían sido mapeadas previamente, el siguiente paso del equipo fue relacionar la actividad neuronal y el comportamiento de cada célula en el mapa.

Hacerlo requería etiquetar cada neurona con un color único para que su actividad pudiera asociarse con su identidad. El equipo hizo esto en docenas de animales que se movían libremente, lo que les dio una idea de cómo casi todas las neuronas definidas en la cabeza del gusano se relacionaban con el comportamiento del animal.

El atlas resultante de este trabajo reveló muchas ideas, mapeando de manera más completa los circuitos neuronales que controlan cada uno de los comportamientos de los animales. Estos nuevos hallazgos permitirán una comprensión más holística de cómo se controlan estos comportamientos, dijo Flavell.

«Eso nos permitió completar los circuitos», dijo. «Nuestra esperanza es que, a medida que nuestros colegas estudien aspectos de la función de los circuitos neuronales, puedan consultar este atlas para obtener una visión bastante completa de las neuronas clave involucradas».

Creado para la flexibilidad

Otro resultado importante del trabajo del equipo fue el descubrimiento de que, aunque la mayoría de las neuronas siempre obedecen las predicciones del modelo, un conjunto más pequeño de neuronas en el cerebro del gusano (alrededor del 30 % de las que codifican el comportamiento) pudo reasignarse con flexibilidad en su codificación de comportamiento, esencialmente aceptando nuevos trabajos. Las neuronas de este grupo eran fiablemente similares en todos los animales y estaban bien conectadas entre sí en el diagrama de cableado sináptico del gusano.

Teóricamente, estos eventos de reasignación podrían ocurrir por una variedad de razones, por lo que el equipo realizó más experimentos para ver si podían hacer que las neuronas se reasignaran. Mientras los gusanos se retorcían alrededor de sus placas, los investigadores aplicaron un rayo láser rápido que calentó el agar alrededor de la cabeza del gusano. El calor era inofensivo, pero suficiente para molestar a los gusanos por un tiempo, induciendo un cambio en el comportamiento del animal que duró minutos. A partir de estas grabaciones, el equipo pudo ver que muchas neuronas reasignaron su codificación de comportamiento a medida que los animales cambiaban su estado de comportamiento.

«La información del comportamiento se expresa ricamente en todo el cerebro de muchas maneras diferentes, con distintos ajustes, escalas de tiempo y niveles de flexibilidad, que se asignan a las clases de neuronas definidas del conectoma de C. elegans», escribieron los autores.