El cerebro de la mosca - un ordenador de alta velocidad 12 -

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El cerebro de la mosca - un ordenador de alta velocidad

IMAGEN: Ver en el cerebro de una mosca: neurobiólogos utilizan métodos del estado de la técnica para observar la actividad de las células nerviosas, mientras que la mosca ve moviendo patrones de rayas en una pantalla LED (izquierda). Esta técnica ...

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¿Cuál sería el punto de la celebración de un campeonato del mundo de fútbol si no pudiéramos distinguir el balón de su fondo? Simplemente impensable! Pero, de nuevo, ¿no sería fantástico si el delantero de su equipo favorito podía ver los movimientos de la pelota en cámara lenta! Desafortunadamente, esta ventaja sólo pertenece a las moscas. Los cerebros minutos de estas acróbatas aeronáuticas procesan los movimientos visuales en sólo fracciones de segundo. Así como el cerebro de la mosca logra percibir el movimiento con tal velocidad y precisión se predice con bastante precisión mediante un modelo matemático. Sin embargo, incluso después de 50 años de investigación, sigue siendo un misterio en cuanto a cómo las células nerviosas son en realidad interconectados en el cerebro de la mosca. Los científicos del Instituto Max Planck de Neurobiología ahora son los primeros en establecer con éxito las condiciones técnicas necesarias para la decodificación de los mecanismos subyacentes de la visión de movimiento. Los primeros análisis han demostrado que mucho más queda por descubrir (Naturaleza NeuroscienceJuly 11, 2010).

Ya en 1956, un modelo matemático fue desarrollado que predice cómo se reconocen y procesan los movimientos en el cerebro de la mosca. Incontables experimentos han respaldado ya que todos los supuestos de este modelo. Lo que queda claro, sin embargo, es la cuestión de la cual las células nerviosas se conectan entre sí en el cerebro de la mosca para que esta pueda funcionar como se había predicho en el modelo. "Simplemente no teníamos las herramientas técnicas para examinar las respuestas de cada célula en el de pequeña mosca, pero de alta potencia del cerebro", como Dierk Reiff, del Instituto Max Planck de Neurobiología en Martinsried explica. Eso no es sorprendente, teniendo en cuenta el tamaño de minutos de la zona del cerebro que es responsable de la detección de movimiento de la mosca. Aquí, una sexta parte de un milímetro cúbico de materia cerebral contiene más de 100.000 células nerviosas - cada uno de los cuales tiene múltiples conexiones a sus células vecinas. Aunque parece casi imposible destacar la reacción de una célula determinada a cualquier estímulo movimiento en particular, esto es precisamente lo que los neurobiólogos en Martinsried ahora han logrado hacer.

El cerebro de la mosca le gana a cualquier equipo

La actividad eléctrica de las células nerviosas individuales se mide generalmente con la ayuda de electrodos extremadamente finas. En la marcha, sin embargo, la mayoría de las células nerviosas son simplemente demasiado pequeña para ser medida con este método. No obstante, dado que la mosca es el modelo animal en el que la percepción del movimiento se ha estudiado en más detalle, los científicos fueron aún más decidido a premio estos secretos del cerebro del insecto. Un incentivo adicional es el hecho de que, aunque el número de las células nerviosas en la mosca es relativamente pequeño, que son altamente especializados y procesan el flujo de imágenes con gran precisión, mientras que la mosca está en vuelo. Por lo tanto, moscas pueden procesar una gran cantidad de información sobre el movimiento y movimiento adecuado en su entorno en tiempo real - una hazaña que ningún ordenador, y ciertamente ninguno del tamaño del cerebro de una mosca, pueden aspirar a igualar. Así que no es de extrañar que el desciframiento de este sistema es una pena-mientras compromiso.

Moléculas de fluorescencia, microscopios estado-of-the-art

"Teníamos que encontrar alguna manera de observar la actividad de estas células nerviosas pequeñas sin electrodos", Dierk Reiff explica uno de los retos que enfrentan los científicos. Para superar este obstáculo, los científicos utilizaron la fruta flyDrosophila melanogasterand algunos de los métodos genéticos más arriba-hasta la fecha disponibles. Tuvieron éxito en la introducción de la molécula indicadora TN-XXL en las células nerviosas individuales. Mediante la alteración de sus propiedades fluorescentes, TN-XXL indica la actividad de las células nerviosas.

Para examinar cómo los cerebros de las moscas de fruta proceso de movimiento, los neurobiólogos presentan los insectos con el movimiento de los patrones de bandas en una pantalla de diodos luminosos. Las células nerviosas en el cerebro de las moscas reaccionan a estos impulsos de luz LED al convertirse en activo, lo que provoca la luminancia de las moléculas indicadoras para cambiar. Aunque los cambios de luminancia de TN-XXL son mucho más altos que el de los antiguos moléculas indicadoras, tardó bastante tiempo para captar esta cantidad relativamente pequeña de la luz y para separarlo del LED de la luz de los impulsos. Después dándole vueltas a esto por un tiempo, sin embargo, Dierk Reiff resolvió el problema al sincronizar el microscopio 2 fotones-láser con la pantalla LED con una tolerancia de sólo unos pocos microsegundos. La señal de TN-XXL posteriormente podría ser separada de la luz LED y selectivamente midió usando el 2-fotón de microscopio.

Las células detrás de la modelo

"Por fin, después de más de 50 años de intentarlo, ahora es técnicamente posible para examinar la construcción celular del detector de movimiento en el cerebro de la mosca", informa una complace Alexander Borst, quien ha estado persiguiendo este objetivo en su departamento para un número de años. Justo lo mucho que queda por descubrir se realizó durante la primera aplicación de los nuevos métodos. Los científicos comenzaron a observar la actividad de las células conocidas como células L2, que reciben información de los fotorreceptores de los ojos. Los fotorreceptores reaccionan cuando la intensidad de la luz aumenta o disminuye. La reacción de las células L2 es similar en esa parte de la célula donde la información del fotorreceptor se recogió. Sin embargo, los neurobiólogos descubrieron que la de las células L2 transforma estos datos y, en particular, que transmite la información sólo sobre la reducción de la intensidad de la luz a las siguientes células nerviosas. Este último luego calcular la dirección del movimiento y pasar esta información al sistema de control de vuelo. "Esto significa que la información" luz encendida "se filtra por las células L2", resume Dierk Reiff. "También significa, sin embargo, que otro tipo de célula debe pasar la" luz "de comandos, ya que la mosca reacciona a ambos tipos de señales."

Ahora que se ha dado el primer paso, los científicos tienen la intención de examinar - célula a célula - el circuito de detección de movimiento en el cerebro de la mosca para explicar cómo se calcula la información de movimiento en el nivel celular. Sus colegas del proyecto conjunto de Robótica están esperando ansiosamente los resultados.

Enlaces relacionados:

[1] caminos luminosos en el cerebro, 10.08.08 MPI comunicado de prensa

http://www.neuro.mpg.de/english/news_events/news/pdf/0808_Griesbeck_E.pdf

Trabajo original:

Visualización de la onda media retinotópico rectificada de entrada a la circuitería de detección de movimiento ofDrosophila.

Dierk Reiff F., Johannes Plett, Marco Mank, Oliver Griesbeck, Alexander Borst

Nature Neuroscience, la publicación en línea de 11 de julio 2010