Representa por primera vez la estructura general de 32 lóbulos del cerebro
Cualquier cosa con tres corazones, sangre azul y piel que pueda cambiar de color como una exhibición en Times Square es probable que llame la atención. Conoce a Sepia bandensis o, más descriptivamente, la sepia enana achaparrada.
En los últimos tres años, un equipo dirigido por neurocientíficos de Zuckerman de Columbia que incluye expertos en datos y diseñadores web ha elaborado un atlas cerebral de este cautivador cefalópodo: una hoja de ruta neuroanatómica que representa por primera vez la estructura general de 32 lóbulos del cerebro, así como su organización celular.
La sepia enana es una maestra del camuflaje. En cuestión de milisegundos, el animal puede cambiar tanto el patrón como la textura de su piel para mezclarse dinámicamente con su entorno. El camuflaje es impulsado visualmente y, al igual que sus primos el calamar y el pulpo, la sepia controla el color de su piel con su cerebro. Las neuronas dentro del cerebro proyectan sus axones hasta la piel, donde controlan cientos de miles de píxeles celulares (cromatóforos) para lograr el cambio de color.
Cuando una sepia se camufla, reproduce en su piel lo que ve. Para lograr esto, la sepia debe transformar su entrada visual en una representación neuronal en el cerebro y luego recrear un análogo de esa representación en su piel.
El laboratorio del doctor Richard Axel quiere entender cómo logra la sepia esta asombrosa hazaña. Comprender la forma en que se representa el mundo visual en el cerebro, ya sea de un cefalópodo o de un ser humano, y cómo esa representación conduce a pensamientos y comportamientos, se encuentran entre los temas más importantes de la neurociencia.
Para descubrir la base neural del camuflaje de las sepias, los miembros del laboratorio de Axel necesitan registrar la actividad de las neuronas de regiones relevantes del cerebro de las sepias. Sin embargo, para extraer el mayor valor científico de esas grabaciones, también necesitan un mapa del cerebro, que no ha estado disponible. Entonces, el equipo se embarcó en un proyecto para construir un atlas neuroanatómico del cerebro de la sepia enana.
Imagen derecha: Patrones de piel en sepia enana, Sepia bandensis. Crédito: Thomas Barlow/Axel Lab/Instituto Zuckerman
"Uno de mis enfoques favoritos para aprender sobre el cerebro es estudiar criaturas que están altamente especializadas en comportamientos o tareas particulares, como los murciélagos que usan la ecolocalización para navegar, o pájaros que usan una impresionante memoria espacial para recordar las ubicaciones de los alimentos ocultos", dijo Tessa G. Montague, primera autora del artículo y becaria postdoctoral en el laboratorio de Richard Axel, también autor del artículo.
"Esperamos y creemos que nuestro atlas del cerebro ayudará a la comunidad a aprender más sobre los mecanismos que usan las sepias para expresarse a través de su piel, y que esto puede darnos una idea de cómo cualquier cerebro es capaz de representar información", dijo la Dra. Montague.
Se necesitó una estrecha y dedicada colaboración de expertos en neurociencia, imágenes de tejidos, programación de computadoras, anatomía y diseño web para construir Cuttlebase. Para la base subyacente del atlas del cerebro, el equipo escaneó los cuerpos y cerebros de cuatro sepias macho y cuatro hembras utilizando imágenes de resonancia magnética (IRM), un pilar de diagnóstico para los médicos. Un algoritmo de aprendizaje profundo, un tipo de inteligencia artificial, ayudó a separar los cerebros de los animales del tejido circundante, en los datos de escaneo.
La coautora Sabrina Gjerswold-Selleck, quien recientemente completó una maestría en la Universidad de Columbia y ahora trabaja para Neuralink, dijo que el equipo tuvo un buen comienzo con la investigación debido al trabajo relacionado que había realizado en el grupo del coautor Jia Guo en Columbia con resonancias magnéticas de ratones.
"Desarrollamos un enfoque de aprendizaje profundo que pudo separar los datos relacionados con el cerebro en cada resonancia magnética de los datos vinculados a otros tipos de tejido en estas exploraciones", dijo Gjerswold-Selleck. "Nos sorprendió lo bien que pudimos adaptar la técnica".
Imagen: Una de las muchas vistas en la herramienta web Cuttlebase del cerebro de múltiples lóbulos de la sepia enana Sepia bandensis. Crédito: equipo de Cuttlefish/Axel Lab/Instituto Zuckerman
Luego, al comparar las imágenes de resonancia magnética con solo un puñado de imágenes cerebrales etiquetadas de la década de 1960, los investigadores tuvieron que determinar los límites de cada lóbulo cerebral de sepia enana. Este fue un esfuerzo monumental de análisis de datos por parte de seis de los coautores que dedicaron cientos de horas durante la pandemia para delinear los ocho conjuntos de datos de la sepia.
Esto dio como resultado cientos de imágenes en escala de grises con contornos de las regiones del cerebro análogos a, por ejemplo, los contornos de los estados y condados en un atlas de varias páginas de los Estados Unidos. Para actualizar su atlas cerebral de la sepia para que ofrezca resolución celular, equivalente a un atlas detallado que muestra todas las carreteras, colinas, lagos y ríos de los estados, los investigadores recurrieron a técnicas histológicas, que revelan la estructura microscópica del tejido.
Esto requirió que los biólogos del equipo seccionaran meticulosamente los cerebros de la sepias y luego tiñeran cada uno con etiquetas químicas coloridas que marcan las ubicaciones de las células y partes del cerebro, incluidas las neuronas, las células gliales y los axones.
Finalmente, después de completar el atlas histológico y anotar las ocho resonancias magnéticas de la sepias, los investigadores fusionaron los ocho cerebros en un solo atlas. En total, identificaron 32 lóbulos en la sepia enana, la mayoría de los cuales podrían relacionar con funciones y comportamientos biológicos específicos, a raíz de estudios clásicos de hace medio siglo.
Los dos lóbulos más grandes, los lóbulos ópticos, procesan la información visual de los fascinantes ojos del animal, por ejemplo. Las neuronas motoras en los lóbulos del cromatóforo orquestan los mecanismos de cambio de color en la piel. Un lóbulo vertical ha sido implicado en el aprendizaje y la memoria.
Aunque este análisis de los datos de la sepia es importante en sí mismo, "el objetivo principal del documento es informar sobre la herramienta de visualización e investigación, Cuttlebase, y hacer que todo esté disponible gratuitamente y sea fácilmente accesible para todos", dijo la Dra. Montague.
Imagen: Vista del corte histológico del cerebro de la sepia enana Sepia bandensis, disponible en la herramienta web Cuttlebase. Crédito: equipo de Cuttlefish/Axel Lab/Instituto Zuckerman
Con una intuitiva facilidad, los usuarios pueden invocar secciones histológicas que especifican diferentes regiones y nervios del cerebro; un modelo 3D giratorio y con zoom del cerebro; y un modelo 3D de los 26 órganos de la sepia, incluidos sus tres corazones, saco de tinta, pico y nervios que transmiten señales entre el cerebro y sus ocho brazos. Todos los datos en Cuttlebase están disponibles para que otros investigadores los desarrollen en sus laboratorios. Las explicaciones de los lóbulos del cerebro y otras características fáciles de usar proporcionan recursos de aprendizaje para los no expertos.
Las coautoras Sukanya Aneja y Dana Elkis (la ingeniera web y la diseñadora web del equipo, respectivamente) del Programa de Telecomunicaciones Interactivas de la Universidad de Nueva York, que también son miembros del equipo de Cuttlebase, desempeñaron papeles principales en el desarrollo del sitio web.
"Tuvimos muchas idas y venidas sobre cómo traducir todo lo que teníamos en una experiencia basada en la web que sería atractiva tanto para científicos como para no científicos", dijo Aneja.
"Necesitábamos combinar vídeos, imágenes, el cerebro de plantilla 3D, ilustraciones, gráficos y diagramas", señaló Elkis.
La coautora Isabelle Rieth, estudiante de posgrado en el Programa de Neurociencia Interdepartamental de la Universidad Northwestern y exmiembro del equipo de Cuttlebase, aportó habilidades de diseño adicionales para transformar lo que de otro modo habría sido una experiencia web en blanco y negro en una llena de colores que ayudan a aclarar lo que ven los usuarios.
A pesar de lo desafiante y laborioso que ha sido el proyecto para los colaboradores, no pueden evitar seguir enamorados de las sepias con las que trabajan y sobre las que están aprendiendo.
"Las sepias son fascinantes de ver", dijo la Dra. Montague. "Cuando se camuflan o se comunican entre sí, te revelan efectivamente en su piel lo que ven y cómo se sienten".
El trabajo de investigación que describe el proyecto aparece hoy en línea en Current Biology: "A brain atlas for the camouflaging dwarf cuttlefish, Sepia bandensis", con un sitio web correspondiente, Cuttlebase.org.
