Por Niall Firth
Stefan Siebert y Charles David
Se ha grabado en directo el disparo de todas las neuronas del cuerpo de un animal. El avance en la obtención de imágenes del sistema nervioso de una hidra -una criatura diminuta y transparente emparentada con las medusas- mientras se retuerce y se mueve ha permitido comprender cómo estos animales tan sencillos controlan su comportamiento.
Técnicas similares podrían algún día ayudarnos a comprender mejor cómo funciona nuestro propio cerebro. «Esto podría ser importante no sólo para el cerebro humano, sino para la neurociencia en general», afirma Rafael Yuste, de la Universidad de Columbia, en Nueva York.
En lugar de un cerebro, la hidra tiene el sistema nervioso más básico de la naturaleza, una red nerviosa en la que las neuronas se extienden por todo su cuerpo. Aun así, los investigadores todavía no saben casi nada sobre cómo los pocos miles de neuronas de la hidra interactúan para crear el comportamiento.
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Para averiguarlo, Yuste y su colega Christophe Dupre modificaron genéticamente la hidra para que sus neuronas brillaran en presencia del calcio. Dado que los iones de calcio aumentan su concentración cuando las neuronas están activas y emiten una señal, Yuste y Dupre pudieron relacionar el comportamiento con la actividad de los circuitos de neuronas que brillan.
Por ejemplo, un circuito que parece estar implicado en la digestión en la cavidad estomacal de la hidra se activaba cada vez que el animal abría la boca para alimentarse. Este circuito podría ser un ancestro de nuestro sistema nervioso intestinal, sugiere la pareja.
Código neuronal
Un segundo circuito se activa cuando la hidra contrae su cuerpo en forma de bola para esconderse de los depredadores. Un tercero parece percibir la luz y puede ayudar a que el animal sepa cuándo debe comer: a pesar de ser ciegas, las hidras necesitan luz para cazar y lo hacen más por la mañana.
El equipo descubrió que ninguna neurona era miembro de más de un circuito. Esto sugiere que el animal ha desarrollado redes distintas para cada reflejo, una disposición primitiva, mucho menos compleja que nuestros propios sistemas nerviosos interconectados.
No obstante, la hidra es el primer paso hacia la ruptura del código neuronal, la forma en que la actividad neuronal determina el comportamiento, dice Yuste. «Las hidras tienen el ‘cerebro’ más simple de la historia de la Tierra, así que podríamos tener una oportunidad de entenderlas primero y luego aplicar esas lecciones a cerebros más complicados», dice.
Yuste espera que ver cómo funcionan los circuitos en tiempo real podría conducir a nuevos conocimientos sobre el cerebro humano y decirnos más sobre enfermedades mentales como la esquizofrenia, por ejemplo. «No podemos curar a los pacientes hasta que sepamos cómo funciona el sistema», afirma.
Yuste fue uno de los varios neurocientíficos, entre ellos George Church, de la Universidad de Harvard, que lanzaron el Proyecto de Mapa de Actividad Cerebral en 2012. Fue un grito de guerra para los neurocientíficos, pidiéndoles que registraran la actividad de cada neurona del cerebro humano. El proyecto constituye el pilar central de la multimillonaria Iniciativa BRAIN lanzada por la administración del presidente Obama en 2013.
Momento de júbilo
La hidra es ahora el primer animal al que se le ha creado uno de estos mapas para todo el cuerpo, aunque también se ha cartografiado de forma similar la actividad de todo el cerebro del pez cebra. El trabajo es un «hito impresionante que merece la pena celebrar», dice Church. Pero ampliarlo a roedores o primates será un gran reto, afirma.
Dale Purves, neurocientífico del Instituto Duke de Ciencias del Cerebro, en Carolina del Norte, duda de que el animal resulte útil para entendernos a nosotros mismos. «Hay que preguntarse: ¿es éste un animal que va a unirse a la mosca de la fruta, al gusano y al ratón como organismo modelo al que mirar en la búsqueda de una mejor comprensión del sistema nervioso?», dice. «Mi respuesta, por desgracia, sería que no».
Pero Yuste colabora ahora con otros siete equipos para descifrar el código neuronal de la hidra. Quieren conseguir un conocimiento tan completo de la forma en que se disparan sus neuronas que puedan utilizar un modelo computacional para predecir su comportamiento sólo a partir de su actividad neuronal.
«Uno de nuestros sueños es llegar al punto de la neurociencia al que llegó la genética cuando descubrió la doble hélice del ADN», dice Yuste. Aunque algunos han sugerido que el cerebro es demasiado complicado para eso, Yuste es optimista. «Espero que ocurra durante nuestra vida y que sea un momento «aha» en el que el rompecabezas se junte», dice.
Referencia de la revista: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Lee más: «Una breve historia del cerebro»
Nuestros cerebros siguieron un tortuoso camino de desarrollo a través de criaturas que nadaron, se arrastraron y caminaron por la tierra mucho antes que nosotros. He aquí algunos de estos animales y cómo contribuyeron a convertirnos en lo que somos.
Hydra
Nuestros antepasados unicelulares disponían de una sofisticada maquinaria para detectar y responder al entorno. Cuando surgieron los primeros animales multicelulares, esta maquinaria se adaptó a la comunicación entre células. Las células especializadas que podían transmitir mensajes mediante impulsos eléctricos y señales químicas -las primeras células nerviosas- surgieron muy pronto.
Las primeras neuronas estaban probablemente conectadas en una red difusa a través del cuerpo de una criatura como esta hidra. Este tipo de estructura, conocida como red nerviosa, aún puede verse en los cuerpos temblorosos de las medusas y las anémonas de mar.
Urbilaterio
Cuando los grupos de neuronas empezaron a agruparse, la información pudo ser procesada en lugar de simplemente transmitida, lo que permitió a los animales moverse y responder al entorno de formas cada vez más sofisticadas. Los grupos de neuronas más especializados -la primera estructura parecida al cerebro- se desarrollaron cerca de la boca y de los ojos primitivos.
Según muchos biólogos, esto ocurrió en una criatura parecida a un gusano conocida como urbilaterio, el ancestro de la mayoría de los animales vivos, incluyendo vertebrados, moluscos e insectos.
Cerebro de lamprea
En los primeros peces surgieron regiones cerebrales más especializadas, algunas de las cuales se parecían a las lampreas vivas. Su estilo de vida, más activo y nadador, les obligó a desarrollar el cerebro para aparearse, encontrar comida y evitar a los depredadores.
Muchas de estas estructuras centrales aún se encuentran en nuestros cerebros: el tectum óptico, que participa en el seguimiento de los objetos en movimiento con los ojos; la amígdala, que nos ayuda a responder a las situaciones de miedo; partes del sistema límbico, que nos proporciona sentimientos de recompensa y ayuda a establecer los recuerdos; y los ganglios basales, que controlan los patrones de movimiento.
Cerebro de los anfibios
En algún momento entre la llegada de los primeros anfibios a tierra firme y la evolución de los mamíferos, surgió el neocórtex: capas adicionales de tejido neural en la superficie del cerebro. Esta parte del cerebro se expandió después enormemente y es la responsable de la complejidad y flexibilidad de los mamíferos, incluidos nosotros.
Pero cómo y cuándo evolucionó el neocórtex sigue siendo un misterio. No podemos ver una estructura cerebral equivalente en los anfibios vivos, y los fósiles tampoco ayudan mucho: los cerebros de los anfibios y reptiles no llenan toda su cavidad craneal, por lo que los restos de estos animales nos dicen poco sobre la forma de sus cerebros.
El cerebro de los mamíferos primitivos
Los cerebros de los mamíferos crecieron cada vez más en relación con sus cuerpos mientras luchaban por sobrevivir en un mundo dominado por los dinosaurios.
Los escaneos de TAC de mamíferos fósiles similares a las musarañas han revelado que la primera región en hincharse fue el bulbo olfativo, lo que sugiere que los mamíferos dependían en gran medida de su sentido del olfato. Las regiones del neocórtex que mapean las sensaciones táctiles -probablemente el pelo- también recibieron un gran impulso, lo que sugiere que el sentido del tacto también era vital. Estos hallazgos encajan perfectamente con la idea de que los primeros mamíferos adoptaron un estilo de vida nocturno para poder esquivar a los dinosaurios.
Cerebro de chimpancé
Tras la desaparición de los dinosaurios, los ancestros de los primates se lanzaron a los árboles. Perseguir insectos alrededor de los árboles requería una buena visión, lo que hizo que la parte visual del neocórtex se expandiera. Sin embargo, el mayor desafío mental para los primates puede haber sido el seguimiento de su vida social, lo que podría explicar la enorme expansión de las regiones frontales del neocórtex de los primates.
Estas regiones frontales también se conectaron mejor, tanto dentro de sí mismas como con otras partes del cerebro que se ocupan de la entrada sensorial y el control motor. Todo esto preparó a los primates para manejar más información entrante e idear formas más inteligentes de actuar sobre ella. Una línea de primates, los grandes simios, se hizo especialmente inteligente.
Cerebro humano
Los investigadores solían pensar que el hecho de tener dos piernas hizo que el tamaño del cerebro humano superara al de nuestros primos primates, los orangutanes, los gorilas y los chimpancés. Sin embargo, los descubrimientos de fósiles demuestran que millones de años después de que los primeros homínidos se hicieran bípedos, seguían teniendo cerebros pequeños.
Hace sólo unos 2,5 millones de años que nuestros cerebros empezaron a ser más grandes. Todavía no sabemos por qué, pero es posible que una mutación debilitara los músculos de la mandíbula de nuestros antepasados y permitiera que nuestros cráneos se expandieran.
Una vez que nos volvimos lo suficientemente inteligentes como para desarrollar herramientas y encontrar una dieta más rica, es posible que se produjera un efecto de retroalimentación positivo que condujera a una mayor expansión del cerebro. La abundancia de nutrientes es esencial para un cerebro grande, y los animales inteligentes tienen más posibilidades de encontrarlos.
El panorama general es el de un cerebro en constante expansión, gracias a la interacción entre la dieta, la cultura, la tecnología, el lenguaje y los genes. Sin embargo, en los últimos 15.000 años, el tamaño medio del cerebro humano en relación con nuestro cuerpo se ha reducido en un 3 o 4 por ciento.
Para saber por qué, y leer más sobre el viaje evolutivo del cerebro, lea «Una breve historia del cerebro».
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