Cómo el MIT descifró el código que vincula el cerebro y el comportamiento en un simple animal

Instituto de Tecnología de Massachusetts Los investigadores modelan y mapean cómo las neuronas del diminuto cerebro de C. elegans codifican sus comportamientos, revelando muchos conocimientos nuevos sobre la fortaleza y plasticidad de su sistema nervioso.

Para comprender la compleja relación entre la actividad cerebral y el comportamiento, los científicos necesitaban una forma de mapear esta relación en todas las neuronas del cerebro. Hasta ahora éste ha sido un desafío insuperable. Pero después de inventar nuevas técnicas y métodos para este propósito, un equipo de científicos del Instituto Picauer para el Aprendizaje y la Memoria del MIT ha producido un cálculo preciso de las neuronas en el pequeño y controlable cerebro de una persona humilde. C. elegans Un gusano que muestra cómo sus células cerebrales codifican casi todos sus comportamientos básicos, como la locomoción y la alimentación.

en el diario celular el 21 de agosto El equipo presentó nuevas grabaciones a nivel cerebral y un modelo matemático que predice con precisión las diversas formas en que las neuronas representan los comportamientos del gusano. Aplicando este modelo a cada célula específicamente, el equipo produjo un atlas de cómo codifican la mayoría de las células y los circuitos en los que están involucradas las acciones del animal. Así, el atlas revela la «lógica» detrás de cómo el cerebro del gusano produce un repertorio sofisticado y flexible de comportamientos, incluso cuando cambian sus condiciones ambientales.

Perspectivas de la investigación

«Este estudio proporciona un mapa global de cómo se regula el sistema nervioso del animal para controlar el comportamiento», dijo el autor principal Stephen Flavell, profesor asociado en el Departamento de Ciencias Cognitivas y Cerebrales del MIT. «Muestra cuántos de los ganglios específicos que componen el sistema nervioso de un animal codifican características de comportamiento sutiles, y cómo esto depende de factores como la experiencia reciente del animal y su condición actual».

Los estudiantes de posgrado Jungsoo Kim y Adam Atanas, quienes recibieron sus doctorados esta primavera por investigación, son los autores principales del estudio. También pusieron todos sus datos, resultados de modelos y atlas a disposición de sus compañeros investigadores de forma gratuita en un sitio web llamado GusanoWideWeb.

Un extracto de 2 minutos de un conjunto de datos neurológico/conductual típico. Los puntos azul, naranja y verde son objetivos de seguimiento, lo que permitió al equipo localizar la cabeza del gusano y mantener al animal centrado. Una vista de microscopio separada (no mostrada) que rastrea la actividad sincrónica de cada célula cerebral. Crédito de la imagen: Flavell Lab/MIT Picware

Técnicas avanzadas y notas.

Para realizar las mediciones necesarias para desarrollar su modelo, el laboratorio de Flavell inventó un nuevo microscopio y un sistema de software. Esta configuración rastrea automáticamente casi todo el comportamiento del gusano (movimiento, alimentación, sueño, puesta de huevos, etc.) y la actividad de cada neurona en su cabeza (las células están diseñadas para parpadear cuando se acumulan iones de calcio). Distinguir y rastrear de manera confiable neuronas discretas mientras el gusano se retuerce y se dobla requiere escribir software personalizado, utilizando herramientas de última generación de aprendizaje automático. Se ha demostrado que tiene una precisión del 99,7 por ciento en el muestreo de las actividades de neuronas individuales con una mejora significativa en la relación señal-ruido en comparación con los sistemas anteriores, informan los científicos.

El equipo utilizó el sistema para registrar el comportamiento sincronizado y los datos neuronales de más de 60 gusanos mientras caminaban alrededor de sus platos, 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 sólo en el momento presente, sino también en el pasado reciente. Ajustan su codificación de conductas, como el movimiento, en función de una sorprendente variedad de factores; Y muchas neuronas codifican simultáneamente muchos comportamientos.

Por ejemplo, si bien el comportamiento de moverse alrededor de un pequeño plato de laboratorio puede parecer un acto muy simple, las neuronas explican factores como la velocidad, la orientación y si el gusano está comiendo o no. En algunos casos, representaban el movimiento de un animal durante aproximadamente un minuto. Al codificar el movimiento reciente, no sólo el movimiento actual, estas neuronas pueden ayudar al gusano a calcular cómo sus acciones pasadas afectan sus resultados actuales. Muchas neuronas también combinan información conductual para realizar maniobras más complejas. Así como un conductor humano debe recordar conducir el automóvil en reversa cuando va hacia atrás o hacia adelante, algunas neuronas en el cerebro del gusano integraron la dirección del movimiento del animal y la dirección de la dirección.

Al analizar cuidadosamente este tipo de patrones de cómo la actividad neuronal se relaciona con los comportamientos, los científicos han desarrollado C. elegans Modelo de codificación neuronal probabilística. Encapsulado en una única ecuación, el modelo explica cómo cada neurona tiene en cuenta diferentes factores para predecir con precisión si la actividad neuronal refleja el comportamiento y cómo. Aproximadamente el 60 por ciento de las neuronas de la cabeza del gusano ya son 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 de cada parámetro apropiado del modelo, un enfoque del que fue pionero el coautor Vikash Mansingka, científico investigador principal que dirige el Proyecto de Computación Probabilística en el MIT. .

construcción atlas

Al crear un modelo que podría cuantificar y predecir cómo cualquier célula cerebral representaría el comportamiento, el equipo de investigación primero recopiló datos de las neuronas sin rastrear las identidades específicas de las células. Pero el objetivo principal 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, todas las cuales habían sido mapeadas previamente, el siguiente paso del equipo fue correlacionar la actividad neuronal y el comportamiento de cada célula en el mapa. Para hacerlo, es necesario nombrar cada neurona con un color único para que su actividad pueda vincularse a su identidad. El equipo hizo esto en docenas de animales que se movían libremente, proporcionándoles información sobre cómo casi todas las neuronas específicas de la cabeza del gusano se relacionan con el comportamiento del animal.

El atlas resultante de este trabajo reveló muchas ideas y un mapeo completo de los circuitos neuronales que controlan cada comportamiento animal. Flavell dijo que estos nuevos hallazgos permitirán una comprensión más completa de cómo controlar estos comportamientos.

«Se nos permitió completar círculos», dijo. «Esperamos que a medida que nuestros colegas estudien aspectos de la función del circuito neuronal, puedan consultar este atlas para obtener una visión bastante completa de las neuronas clave involucradas».

Neuroplasticidad

Otro resultado clave del trabajo del equipo fue el intrigante hallazgo de que, si bien la mayoría de las neuronas siempre obedecieron las predicciones del modelo, un grupo más pequeño de neuronas en el cerebro del gusano (alrededor del 30 por ciento de las que codificaban el comportamiento) pudieron reasignar su comportamiento de manera flexible, realizando un desempeño fundamental. nuevos roles. Las neuronas de este grupo eran confiablemente similares en todos los animales y estaban bien conectadas entre sí en el diagrama de cableado sináptico del gusano.

En teoría, estos eventos de reasignación podrían ocurrir por varias 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 láser que calentó el agar alrededor de la cabeza del gusano. El calor era inofensivo pero suficiente para perturbar a los gusanos por un tiempo, lo que provocó un cambio en el estado de comportamiento del animal que duró minutos. A partir de estas grabaciones, el equipo pudo ver que muchas neuronas reasignaban correctamente su codificación de comportamiento cuando los animales cambiaban de estado de comportamiento.

“La información conductual se expresa ricamente en todo el cerebro de muchas formas diferentes (con distintas afinaciones, escalas temporales y niveles de plasticidad) que se adaptan a las clases específicas de neuronas del cerebro. C. elegans red neuronal», escribieron los autores.

Referencia: «Representaciones a nivel cerebral del comportamiento que abarcan múltiples escalas de tiempo y estados C. elegansEscrito por Adam A. Atanas, Jongsu Kim, Xiu Wang, Eric Bueno, McCoy Baker, Dae Kang, Jungyeon Park, Talia S. Kramer, Flossie K. Wan, Saba Pasquillo, Ugur Dag, Elbiniki Kalogeropoulou, Matthew A. Gomez, Casey Estrem, Nita Cohen, Vikash K. Mansingka y Stephen W. Flavell, 21 de agosto de 2023, disponible aquí. celúla.
doi: 10.1016/j.cell.2023.07.035

Además de Atanas, Kim, Mansingka y Flavell, otros autores del artículo son Xu Wang, Eric Bueno, McCoy Baker, Dee Kang, Jeongyeon Park, Talia Kramer, Flossy Wan, Saba Pasquello, Ugur Dag, Ilbeneke Kalogeropoulou y Matthew Gomez. , Casey Estrem y Nita Cohen.

Las fuentes de financiación de la investigación incluyen Institutos Nacionales de Saludla Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación McKnight, la Fundación Alfred P. Sloan, el Instituto Picauer para el Aprendizaje y la Memoria y la Fundación GPP.