Leyendo las mentes de una medusa y un gusano

En vez de miles de millones, el gusano microscópico Caenorhabditis elegans 'solo' tiene 302 neuronas, lo que hace de esta especie un 'paciente' mucho más asequible que los humanos. E incluso que los ratones. Para ello, un equipo del Instituto Salk de Estudios Biológicos (California) se centró en monitorizar su actividad cerebral con ayuda de la genética y la inteligencia artificial. «Encontramos algunas cosas inesperadas cuando comenzamos a observar el efecto de estímulos sensoriales en las células individuales y las conexiones dentro del cerebro de los gusanos», explica Salk Sreekanth Chalasani , miembro del Laboratorio de Neurobiología Molecular y autor principal del nuevo trabajo, publicado en la revista ' PLOS Computational Biology '.

En concreto, equipo se propuso estudiar cómo reaccionan las neuronas de C. elegans al oler cinco químicos diferentes: benzaldehído, diacetilo, alcohol isoamílico, 2-nonanona y cloruro de sodio . Estudios anteriores habían demostrado que este gusano puede diferenciar estos productos químicos que, para los humanos, huelen a algo parecido 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 para que cada una de sus 302 neuronas contuviera un sensor fluorescente que se iluminara cuando la neurona estuviera activa. Luego, observaron bajo un microscopio a 48 gusanos mientras eran expuestos a diferentes ráfagas de los cinco químicos. De media, 50 o 60 neuronas se activaban en respuesta a cada sustancia química.

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

Este enfoque reveló que cada vez que C. elegans se expuso al cloruro de sodio (sal), primero hubo un estallido de actividad en un conjunto de neuronas, probablemente las neuronas sensoriales, pero luego, aproximadamente 30 segundos después, los tripletes de otras neuronas comenzaron a coordinarse fuertemente. Estos mismos tripletes distintos no se vieron después con los otros estímulos, lo que permitió a los investigadores identificar con precisión, basándose únicamente en los patrones cerebrales, cuándo un gusano había estado expuesto al cloruro de sodio.

A continuación, los investigadores utilizaron un algoritmo de aprendizaje automático para identificar otras diferencias más sutiles en la forma en la que el cerebro respondía a cada una de las cinco sustancias químicas. El algoritmo pudo aprender a diferenciar la respuesta neuronal a la sal y al benzaldehído, pero a menudo confundió los otros tres químicos. «Independientemente del análisis que hayamos hecho, es un comienzo, pero todavía estamos obteniendo una respuesta parcial sobre cómo el cerebro discrimina estas cosas», dice Chalasani.

Los gusanos como C. elegans suelen ser modelos de laboratorio bastante frecuentes, como moscas, peces o ratones. En comparación con estos seres, que están más estrechamente relacionados entre sí genéticamente hablando, las medusas se encuentran en el lado opuesto. De hecho, los gusanos están evolutivamente más cerca de los humanos que ellas. Sin embargo, conocer cómo funcionan los cerebros de otras especies tan distantes aún puede proporcionar pistas sobre cómo los nuestros han llegado a ser tan especializados.

La medusa Clytia hemisphaerica es transparente y apenas mide un centímetro. Hasta ahora, era una medusa arquetípica, pero investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) la han convertido en un ser 'especial' gracias a la manipulación genética. Ahora pueden ver, literalmente, lo que ocurre en su mente cuando come, se asusta de los depredadores o, simplemente, nada. Todo gracias a que sus neuronas brillan. Los resultados se acaban de publicar en la revista ' Cell '.

«Las medusas son un punto de comparación importante porque están emparentadas muy lejanamente», afirma en un comunicado Brady Weissbourd , investigador postdoctoral y primer autor del estudio. «Nos permiten hacer preguntas como, ¿hay principios de neurociencia compartidos en todos los sistemas nerviosos? O, ¿cómo podrían haber sido los primeros sistemas nerviosos? Al explorar la naturaleza de manera más amplia, también podemos descubrir innovaciones biológicas útiles».

En lugar de tener un cerebro centralizado, como el de los humanos, el de las medusas se dispersa por todo su cuerpo , como una red. Además, las diversas partes de su cuerpo funcionan de forma aparentemente autónoma: por ejemplo, la boca de una medusa extirpada quirúrgicamente puede seguir 'comiendo' incluso sin el resto del cuerpo del animal . Este cuerpo descentralizado parece ser una estrategia evolutiva de gran éxito, ya que las medusas han persistido en todo el reino animal durante cientos de millones de años. Pero, ¿cómo coordina y orquesta los comportamientos el sistema nervioso descentralizado de las medusas?

Después de desarrollar las herramientas genéticas para modificar a la C. hemisphaerica, los investigadores examinaron los circuitos neuronales subyacentes a los comportamientos alimentarios del animal. Cuando atrapa un camarón de salmuera en un tentáculo, dobla su cuerpo para llevar el tentáculo a su boca y, a la vez, dobla la boca para llevarla al tentáculo. El equipo quería saber cómo coordina el cerebro de la medusa, aparentemente desestructurado y radialmente simétrico, este plegamiento direccional de su cuerpo.

Al examinar las brillantes reacciones en cadena que ocurren en las neuronas de esta medusa mientra comía, el equipo determinó que una subred de neuronas que produce un neuropéptido particular (una molécula producida por neuronas) es responsable del plegamiento interno espacialmente localizado del cuerpo. Además, aunque la red de neuronas de las medusas originalmente parecía difusa y desestructurada, los investigadores encontraron un grado sorprendente de organización que solo se hizo visible con su sistema fluorescente.

«Nuestros experimentos revelaron que la red aparentemente difusa de neuronas se subdivide en realidad en parches de neuronas activas, organizadas en cuñas como porciones de pizza», explica Anderson. «Cuando una medusa atrapa un camarón en salmuera con un tentáculo, las neuronas en la 'porción de pizza' más cercana a ese tentáculo se activarían primero, lo que a su vez hizo que esa parte del 'paraguas' que forma su cuerpo se doblara hacia adentro, llevando el camarón a la boca. Es importante destacar que este nivel de organización neuronal es completamente invisible si miras la anatomía de una medusa, incluso con un microscopio; tienes que poder visualizar las neuronas activas para poder verlo, que es lo que podemos hacer con nuestro nuevo sistema», afirma.