Investigadores de Caltech leen la mente de una medusa
Por
Crédito: B. Weissbourd
Comprender los circuitos precisos de las células cerebrales que orquestan todos nuestros comportamientos cotidianos, como mover nuestras extremidades, responder al miedo y otras emociones, etc., es un rompecabezas increíblemente complejo para los neurocientíficos. Pero ahora, las preguntas fundamentales sobre la neurociencia del comportamiento pueden responderse a través de un organismo modelo nuevo y mucho más simple: las diminutas medusas.
Con una nueva caja de herramientas genéticas, los investigadores pueden ver las neuronas de las medusas mientras se iluminan en tiempo real. Las medusas no tienen un cerebro centralizado; más bien, sus células cerebrales (neuronas) se distribuyen en una red difusa por todo el cuerpo. Como se muestra en este video, este estudio descubrió que en realidad existe una organización espacial en la forma en que se activan las neuronas cuando el animal coordina el comportamiento. Crédito: B. Weissbourd
Los investigadores de Caltech ahora han desarrollado una especie de caja de herramientas genéticas diseñada para jugar con Clytia hemisphaerica , un tipo de medusa de aproximadamente 1 centímetro de diámetro cuando está completamente desarrollada. Con este kit de herramientas, las diminutas criaturas han sido modificadas genéticamente para que sus neuronas brillen individualmente con luz fluorescente cuando se activan. Debido a que una medusa es transparente, los investigadores pueden observar el brillo de la actividad neuronal del animal mientras se comporta de forma natural. En otras palabras, el equipo puede leer la mente de una medusa mientras se alimenta, nada, evade a los depredadores y más, para comprender cómo el cerebro relativamente simple del animal coordina sus comportamientos.
Un artículo que describe el nuevo estudio aparece en la revista Cell el 24 de noviembre de 2021. La investigación se llevó a cabo principalmente en el laboratorio de David J. Anderson, profesor de biología Seymour Benzer, Tianqiao y Chrissy Chen Institute for Neuroscience Leadership Chair, Howard Hughes Medical Investigador del Instituto y director del Instituto de Neurociencias Tianqiao y Chrissy Chen.
Cuando se trata de organismos modelo utilizados en laboratorios, las medusas son un valor atípico extremo. Los gusanos, las moscas, los peces y los ratones, algunos de los organismos modelo de laboratorio más utilizados, están más estrechamente relacionados, genéticamente hablando, entre sí que con una medusa. De hecho, los gusanos están evolutivamente más cerca de los humanos que de las medusas.
“Las medusas son un punto de comparación importante porque están emparentadas muy lejanamente”, dice Brady Weissbourd, investigador postdoctoral y primer autor del estudio. “Nos permiten hacernos 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. Es importante destacar que muchas medusas son pequeñas y transparentes, lo que las convierte en plataformas interesantes para la neurociencia de sistemas. Esto se debe a que existen nuevas herramientas asombrosas para obtener imágenes y manipular la actividad neuronal utilizando la luz, y puedes poner una medusa viva entera bajo un microscopio y tener acceso a todo el sistema nervioso a la vez ".
Una medusa dobla el lado derecho de su cuerpo para llevar un pequeño camarón de salmuera a su boca. Crédito: B. Weissbourd
En lugar de estar centralizado en una parte del cuerpo como nuestro propio cerebro, el cerebro de medusa se difunde por todo el cuerpo del animal como una red. Las diversas partes del cuerpo de una medusa pueden funcionar aparentemente de forma autónoma, sin un control centralizado; por ejemplo, la boca de una medusa extirpada quirúrgicamente puede seguir “comiendo” incluso sin el resto del cuerpo del animal.
Este plan corporal 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 trabajar con Clytia , los investigadores primero examinaron los circuitos neuronales subyacentes a los comportamientos alimentarios del animal. Cuando Clytia atrapa un camarón de salmuera en un tentáculo, dobla su cuerpo para llevar el tentáculo a su boca y dobla su boca hacia el tentáculo simultáneamente. El equipo tuvo como objetivo responder: ¿Cómo coordina el cerebro de la medusa, aparentemente desestructurado y radialmente simétrico, este plegamiento direccional del cuerpo de la medusa?
Al examinar las brillantes reacciones en cadena que ocurren en las neuronas de los animales mientras comían, 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.
Clytia hemisphaerica desde el lateral. Crédito: B. Weissbourd
“Nuestros experimentos revelaron que la red aparentemente difusa de neuronas que subyace al paraguas circular de medusas en realidad se subdivide 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 se doblara hacia adentro, llevando el camarón a la boca. Es importante destacar que este nivel de organización neuronal es completamente invisible si observa 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 ".
Weissbourd enfatiza que esto es solo una parte de la comprensión del repertorio completo de comportamientos de las medusas. "En el trabajo futuro, nos gustaría utilizar esta medusa como una plataforma manejable para comprender con precisión cómo se genera el comportamiento de sistemas neuronales completos", dice. “En el contexto del paso de alimentos, comprender cómo los tentáculos, el paraguas y la boca se coordinan entre sí nos permite abordar problemas más generales de la función de la modularidad dentro del sistema nervioso y cómo estos módulos se coordinan entre sí. El objetivo final no es solo comprender el sistema nervioso de las medusas, sino utilizarlo como trampolín para comprender sistemas más complejos en el futuro ".
El nuevo sistema modelo es sencillo para que los investigadores lo utilicen en cualquier lugar. Los linajes de medusas pueden mantenerse en agua de mar artificial en un entorno de laboratorio y enviarse a colaboradores que estén interesados en responder preguntas utilizando los pequeños animales.
Referencia: “Un modelo de medusa genéticamente manejable para sistemas y neurociencia evolutiva” por Brandon Weissbourd, Tsuyoshi Momose, Aditya Nair, Ann Kennedy, Bridgett Hunt y David J. Anderson, 24 de noviembre de 2021, Cell .
DOI: 10.1016 / j.cell.2021.10.021
Además de Weissbourd y Anderson, otros coautores son Tsuyoshi Momose de la Sorbonne Université en Francia, la estudiante de posgrado Aditya Nair, la ex becaria postdoctoral Ann Kennedy (ahora profesora asistente en la Northwestern University ) y la ex técnica de investigación Bridgett Hunt. El financiamiento fue proporcionado por el Caltech Center for Evolutionary Science, el Whitman Center of the Marine Biological Laboratory, la Life Sciences Research Foundation y el Howard Hughes Medical Institute.
Traducido de https://scitechdaily.com/caltech-researchers-read-a-jellyfishs-mind/
Comentarios