Leyendo la mente de un gusano

Leyendo la mente de un gusano

Los científicos de Salk utilizan el aprendizaje automático para predecir los olores en función de la actividad cerebral en los gusanos

LA JOLLA—Suena como un truco de fiesta: los científicos ahora pueden observar la actividad cerebral de un gusano diminuto y decirle qué químico olió el animal unos segundos antes. Pero los hallazgos de un nuevo estudio, dirigido por el profesor asociado de Salk Sreekanth Chalasani, son más que una simple novedad; ayudan a los científicos a comprender mejor cómo funciona el cerebro e integra la información.

"Encontramos algunas cosas inesperadas cuando comenzamos a observar el efecto de estos estímulos sensoriales en las células individuales y las conexiones dentro del cerebro de los gusanos", dice Chalasani, miembro del Laboratorio de Neurobiología Molecular y autor principal del nuevo trabajo, publicado en la revista. Biología computacional PLOS En Noviembre 9, 2021.

Chalasani está interesada en cómo, a nivel celular, el cerebro procesa la información del mundo exterior. Los investigadores no pueden rastrear simultáneamente la actividad de cada una de las 86 mil millones de células cerebrales en un ser humano vivo, pero pueden hacerlo en el gusano microscópico. Caenorhabditis elegans, que tiene sólo 302 neuronas. Chalasani explica que en un animal simple como C. elegans, los investigadores pueden monitorear neuronas individuales mientras el animal realiza acciones. Ese nivel de resolución no es posible actualmente en humanos o incluso en ratones.

El equipo de Chalasani se dispuso a estudiar cómo C. elegans las neuronas reaccionan al oler cada uno de los cinco productos químicos diferentes: benzaldehído, diacetilo, alcohol isoamílico, 2-nonanona y cloruro de sodio. Estudios previos han demostrado que C. elegans puede diferenciar estas sustancias químicas que, para los humanos, huelen más o menos a almendras, palomitas de maíz con mantequilla, plátano, queso y sal. Y aunque los investigadores conocen las identidades del pequeño puñado de neuronas sensoriales que detectan directamente estos estímulos, el grupo de Chalasani estaba más interesado en cómo reacciona el resto del cerebro.

Los investigadores diseñaron C. elegans de modo que cada una de sus 302 neuronas contenía un sensor fluorescente que se iluminaba cuando la neurona estaba activa. Luego, observaron bajo un microscopio mientras exponían 48 gusanos diferentes a ráfagas repetidas de los cinco químicos. En promedio, 50 o 60 neuronas se activaron en respuesta a cada químico.

Al observar las propiedades básicas de los conjuntos de datos, como cuántas células estaban activas en cada momento, Chalasani y sus colegas no pudieron diferenciar de inmediato entre los diferentes productos químicos. Entonces, recurrieron a un enfoque matemático llamado teoría de grafos, que analiza las interacciones colectivas entre pares de células: cuando se activa una célula, ¿cómo cambia la actividad de otras células en respuesta?

Este enfoque reveló que siempre que C. elegans fue expuesto al cloruro de sodio (sal), primero hubo un estallido de actividad en un conjunto de neuronas, probablemente las neuronas sensoriales, pero luego, unos 30 segundos después, los trillizos de otras neuronas comenzaron a coordinar fuertemente sus actividades. Estos mismos trillizos distintos no se vieron después de los otros estímulos, lo que permitió a los investigadores identificar con precisión, basándose solo en los patrones cerebrales, cuándo un gusano había estado expuesto a la sal.

"C. elegans parece haber otorgado un gran valor a la detección de sal, utilizando una configuración de circuito completamente diferente en el cerebro para responder”, dice Chalasani. "Esto podría deberse a que la sal a menudo representa bacterias, que son alimento para el gusano".

Luego, los investigadores utilizaron un algoritmo de aprendizaje automático para identificar otras diferencias más sutiles en la forma en que el cerebro respondió a cada uno de los cinco químicos. El algoritmo pudo aprender a diferenciar la respuesta neuronal a la sal y al benzaldehído, pero a menudo confundía los otros tres químicos.

“Cualquiera que sea el análisis que hayamos hecho, es un comienzo, pero todavía estamos obteniendo solo una respuesta parcial sobre cómo el cerebro discrimina estas cosas”, dice Chalasani.

Aún así, señala que la forma en que el equipo abordó el estudio, observando la respuesta de toda la red del cerebro a un estímulo y aplicando la teoría de grafos, en lugar de centrarse solo en un pequeño conjunto de neuronas sensoriales y si están activadas, prepara el camino hacia estudios más complejos y holísticos de cómo reacciona el cerebro a los estímulos.

El objetivo final de los investigadores, por supuesto, no es leer la mente de los gusanos microscópicos, sino obtener una comprensión más profunda de cómo los humanos codifican la información en el cerebro y qué sucede cuando esto sale mal en los trastornos del procesamiento sensorial y afecciones relacionadas como la ansiedad. , trastornos por déficit de atención con hiperactividad (TDAH), trastornos del espectro autista y otros.

Los otros autores del nuevo estudio fueron Saket Navlakha del Laboratorio Cold Spring Harbor y Javier How de UC San Diego. El trabajo fue apoyado por subvenciones de Pew Charitable Trusts, los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.

DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009591