¿Pueden las moscas de la fruta revelar mecanismos ocultos de la mente?

¿Cuál es la base biológica del pensamiento? ¿Cómo almacena el cerebro los recuerdos? Preguntas como estas han intrigado a los humanos durante miles de años, pero las respuestas siguen siendo esquivas.

Podrías pensar que la humilde mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, Hay poco que agregar aquí, pero los científicos han estado estudiando los fundamentos neuronales de las funciones cerebrales superiores, como la memoria, en estos insectos desde la década de 1970.Trabajo clásico, realizado por múltiples laboratorios, incluidos los de Martin Heisenberg y Seymour Benzer, centrado en el comportamiento de genes mutantes y de tipo salvaje. drosófila En tareas simples de aprendizaje y memoria, finalmente condujo al descubrimiento de varias moléculas clave y otros mecanismos subyacentes. Sin embargo, dado que no hay forma de mirar dentro de los cerebros de las moscas que se comportan para espiar la actividad neuronal, el campo en su forma cruda solo puede ayudar a explicar los mecanismos cognitivos.

En 2010, cuando era investigador postdoctoral en el laboratorio de Michael Dickinson, desarrollamos el primer método para medir la actividad eléctrica de las neuronas conductuales. drosófilaUn enfoque similar fue desarrollado en paralelo por Johannes Seelig y Vivek Jayaraman. En estos métodos, una mosca se pega a una placa personalizada para que la cutícula del cerebro se pueda quitar con cuidado y la actividad neuronal se mida con electrodos o microscopía de fluorescencia. Incluso cuando la mosca está pegada en su lugar, el animal aún puede batir sus alas o caminar sobre una bola de aire en vuelo atado, como una cinta rodante esférica debajo de sus piernas.

Estos logros tecnológicos han llamado la atención de la industria. drosófila La comunidad de neurobiología, pero ¿a alguien más que a este pequeño, respetado y amante de los artrópodos (del cual me siento honrado de ser parte) realmente le importa ver cerebros de moscas en acción? En otras palabras, ¿estos métodos ayudan a revelar algo universalmente relevante además de las moscas?La respuesta parece estar creciendo. Sí.

Docenas de células proyectan fibras nerviosas en una estructura similar a una rosquilla en el medio del cerebro de la mosca, cada una de las cuales se ramifica para llenar una de las 16 rebanadas de pizza que forman la rosquilla. Seelig y Jayaraman primero tomaron imágenes de la actividad de estas neuronas en moscas que caminan usando microscopía de fluorescencia usando el nuevo método que se acaba de describir. Sorprendentemente, observaron que cuando la mosca estaba estacionaria, esta población de células expresaba un solo «bulto» de actividad neuronal que persistió constantemente en un lugar alrededor de la rosquilla, y cuando la mosca se dio la vuelta, este bulto de actividad comenzó a girar hacia la izquierda o hacia la derecha. alrededor de la dona como la aguja de una brújula.

Si la mosca recibe una señal visual que indica su rumbo angular cuando se enciende el flotador, la protuberancia actualiza con mayor precisión su posición alrededor de la rosquilla. Sin embargo, incluso en la oscuridad total, la masa permaneció en el cerebro y su ubicación alrededor de la rosquilla siguió la orientación de la mosca (aunque no con tanta precisión como las señales visuales). Estos resultados demuestran de manera convincente que las moscas tienen un sentido de orientación inherente, similar a nuestro propio sentido de orientación en un entorno, que persiste incluso después de cerrar los ojos.

Jonathan Green, un estudiante de posgrado en mi laboratorio, llevó las cosas un paso más allá. Él describe un mecanismo de circuito neuronal que explica cómo la protuberancia activa gira alrededor de la rosquilla, incluso en la oscuridad total, guiada por el sentido interno de la mosca de qué tan rápido y en qué dirección siente que gira. (Dan Turner-Evans y Stephanie Wegener describen simultáneamente un circuito similar en el laboratorio de Vivek Jayaraman). Además, en nuestro último trabajo, Jonathan Green, con el investigador postdoctoral Vikram Vijayan y otro estudiante de posgrado Peter Mussells Pires, describen cómo las moscas utilizan protuberancias activas para guiarse. comportamiento de navegación.

Específicamente, mostramos que la mosca usa la posición de la protuberancia en la rosquilla como una estimación similar a una brújula del rumbo actual, en comparación con el rumbo objetivo (el ángulo en el que la mosca quiere ir) para determinar en qué dirección girar y — cuantitativamente – Dificultad de giro y velocidad de avance. Es probable que el mismo mecanismo básico funcione en los cerebros de las abejas, las hormigas y otros insectos navegantes más especializados cuando salen y regresan a sus nidos en sus viajes de búsqueda de alimento.

En la década de 1980, James Ranck y Jeff Taube descubrieron las llamadas células de orientación de la cabeza: neuronas en mamíferos cuya fisiología tiene un parecido sorprendente con la neurona de la brújula en la mosca que acabamos de describir. Los humanos, casi con certeza, también tienen células en la cabeza. En humanos u otros mamíferos, sin embargo, los circuitos neuronales que explican cómo la actividad de las células de orientación de la cabeza se actualiza con los giros han permanecido esquivos, al igual que el papel funcional preciso que desempeñan estas neuronas en la navegación.Por lo tanto, además de insectos, somos drosófila Se está sentando una base que puede servir como hoja de ruta para analizar cómo el cerebro más grande, e incluso el nuestro, construye un sentido de dirección y utiliza este sentido interno para guiar las acciones de navegación.

Más allá de la orientación angular, nuestra comprensión de cómo recordamos posiciones en el espacio 2D o 3D o cómo realizamos operaciones cognitivas no espaciales, como rastrear el tiempo transcurrido o predecir la probabilidad de eventos futuros, sigue siendo igualmente nebulosa. decir que no hay progreso. Las neuronas fisiológicamente activas asociadas con muchos de estos procesos se encuentran en los cerebros de los mamíferos, y los científicos incluso han podido activar y desactivar artificialmente estas neuronas en animales que se comportan. Sin embargo, todavía no tenemos una comprensión completa de cómo el cerebro genera sentidos internos de espacio, tiempo o valor, y cómo esos sentidos internos guían el comportamiento.

Afortunadamente, drosófila Parece implementar una versión del proceso cognitivo descrito anteriormente (y probablemente muchos otros).porque drosófila Junto con los enfoques genéticos, anatómicos y fisiológicos de última generación en neurociencia para proporcionar un cerebro pequeño, yo y otros en mi campo creemos que los primeros mecanismos neuronales detallados que explican cómo se lleva a cabo este proceso mental estarán en el futuro A pocos años han quedado claros en este insecto.Nuestro éxito reciente en el campo del rumbo angular puede representar la punta del iceberg de cómo las moscas pueden dilucidar los mecanismos detrás de muchas otras operaciones cognitivas.

En general, las moscas no han jugado un papel menor en la historia de la biología.a través del aprendizaje drosófila Primero aprendimos que los genes están físicamente presentes en los cromosomas, que los ciclos de retroalimentación transcripcional generan los ritmos circadianos que impregnan casi toda la vida en la Tierra, y Halcones Los genes actúan como reguladores maestros de la morfogénesis corporal.en vista de drosófila Quizás no sea sorprendente ver esto en la genética, los ritmos circadianos, el desarrollo y muchos otros campos de la ciencia. drosófila Ahora se está desempeñando un papel fundamental similar en la neurociencia cognitiva.Los proyectos de investigación que pueden tardar años o décadas en completarse en ratones o monos pueden tardar solo unos meses. drosófila.

Esta diferencia significa que las personas pueden correr mayores riesgos y seguir con mayor facilidad preguntas aparentemente intratables cuando estudian moscas, en lugar de apostar toda su carrera en una respuesta particular que resulta ser correcta.A medida que la comunidad de moscas reúne información sobre cómo drosófila Al implementar sus cálculos cognitivos, incluso si están en una forma simplificada en comparación con la nuestra, esperamos inspirar pruebas dirigidas de mecanismos similares en el cerebro de los mamíferos, donde el trabajo exploratorio inicial es más difícil de realizar.

Un aspecto particularmente interesante del estudio de la neurobiología drosófila es la posibilidad de unificar nuestra comprensión de la cognición a nivel genético, celular y de circuito. La mayoría de los trastornos psiquiátricos, como la enfermedad de Alzheimer y otras demencias, son causados ​​por anomalías moleculares en genes que se conservan en gran medida en humanos y moscas. Se ha dedicado un esfuerzo considerable a comprender la fisiopatología de las vías moleculares relevantes, pero no ha habido capacidad para vincular sólidamente la biología molecular de estas vías con sus funciones normales y anormales en la cognición y el comportamiento.

Los principales enfoques genéticos moleculares disponibles en moscas, junto con enfoques neurofisiológicos y conductuales bien establecidos, prometen proporcionar conocimientos más profundos sobre cómo los genes influyen en la función y el comportamiento cerebral superior a través de sus efectos en la fisiología celular y de circuitos. Por lo tanto, las moscas tienen el potencial de dilucidar nuestra comprensión fundamental de la cognición, al tiempo que allanan el camino para un diseño de fármacos más racional para los trastornos psiquiátricos en el futuro.

Están surgiendo nuevos conocimientos en neurociencia cognitiva drosófilaSolo el tiempo dirá lo que aprenderemos cuando todo esté dicho y hecho, pero este pequeño insecto parece tener el potencial para ayudar a resolver algunos de los mayores misterios del cerebro. Manténganse al tanto.