La reorganización de las neuronas durante la metamorfosis de la mosca de la fruta sugiere que los recuerdos larvarios no persisten en los adultos.
Introducción
En las cálidas noches de verano, las crisopas verdes revolotean alrededor de las linternas brillantes en los patios traseros y en los campamentos. Estos insectos, con sus alas en forma de velo, se distraen fácilmente de su preocupación natural de beber el néctar de las flores, evitar a los murciélagos depredadores y reproducirse. Pequeñas nidadas de los huevos que ponen cuelgan de largos tallos en la parte inferior de las hojas y se balancean como luces de hadas en el viento.
Los conjuntos de huevos colgantes son hermosos pero también prácticos: evitan que las larvas que están eclosionando se coman de inmediato a sus hermanos que aún no han eclosionado. Con mandíbulas en forma de hoz que perforan a sus presas y las succionan hasta dejarlas secas, las larvas de crisopa son “feroces”, dijo James Truman (opens a new tab), profesor emérito de desarrollo, biología celular y molecular en la Universidad de Washington. “Es como ‘La Bella y la Bestia’ en un solo animal”.
Esta dicotomía de Jekyll y Hyde es posible gracias a la metamorfosis, el fenómeno más conocido por transformar las orugas en mariposas. En su versión más extrema, la metamorfosis completa, las formas juvenil y adulta parecen y actúan como especies totalmente diferentes. La metamorfosis no es una excepción en el reino animal; es casi una regla. Más del 80% de las especies animales conocidas en la actualidad, principalmente insectos, anfibios e invertebrados marinos, experimentan alguna forma de metamorfosis o tienen ciclos de vida complejos de varias etapas.
El proceso de metamorfosis presenta muchos misterios, pero algunos de los más desconcertantes se centran en el sistema nervioso. En el centro de este fenómeno se encuentra el cerebro, que debe codificar no una sino múltiples identidades diferentes. Después de todo, la vida de un insecto volador en busca de pareja es muy diferente a la vida de una oruga hambrienta. Durante el último medio siglo, los investigadores han investigado la cuestión de cómo una red de neuronas que codifica una identidad (la de una oruga hambrienta o la de una larva de crisopa asesina) cambia para codificar una identidad adulta que abarca un conjunto completamente diferente de comportamientos y necesidades.
Truman y su equipo han descubierto ahora en qué medida la metamorfosis reorganiza partes del cerebro. En un estudio reciente (opens a new tab) publicado en la revista eLife , rastrearon docenas de neuronas en los cerebros de moscas de la fruta que estaban pasando por la metamorfosis. Descubrieron que, a diferencia del atormentado protagonista del cuento de Franz Kafka “La metamorfosis”, que despierta un día convertido en un insecto monstruoso, los insectos adultos probablemente no pueden recordar gran parte de su vida larvaria. Aunque muchas de las neuronas larvarias del estudio sobrevivieron, la parte del cerebro del insecto que examinó el grupo de Truman fue reconectada drásticamente. Esa revisión de las conexiones neuronales reflejó un cambio igualmente dramático en el comportamiento de los insectos cuando pasaron de larvas rastreras y hambrientas a adultos voladores en busca de pareja.
Sus hallazgos son “el ejemplo más detallado hasta la fecha” de lo que le sucede al cerebro de un insecto en proceso de metamorfosis, dijo Deniz Erezyilmaz, científica investigadora postdoctoral del Centro de Circuitos Neuronales y Comportamiento de la Universidad de Oxford, que trabajó en el laboratorio de Truman pero no participó en este trabajo. Los resultados podrían aplicarse a muchas otras especies de la Tierra, agregó.
Además de detallar cómo madura el cerebro de una larva hasta convertirse en un cerebro adulto, el nuevo estudio proporciona pistas sobre cómo la evolución hizo que el desarrollo de estos insectos tomara un desvío tan radical. «Es una pieza monumental», dijo Bertram Gerber, un neurocientífico del comportamiento del Instituto Leibniz de Neurobiología que no participó en el estudio pero fue coautor de un comentario relacionado para eLife . «Es realmente el clímax de 40 años de investigación en el campo».
“Lo llamo ‘El artículo’ con mayúsculas”, dijo Darren Williams, investigador en neurobiología del desarrollo en el King’s College de Londres, que no participó en el estudio pero es colaborador de Truman desde hace mucho tiempo. “Va a ser fundamentalmente importante… para muchas preguntas”.
Un desvío en el camino hacia la edad adulta
Los primeros insectos, hace 480 millones de años, surgieron de huevos con un aspecto muy similar al de sus formas adultas, o continuaron su “desarrollo directo” para acercarse cada vez más a su forma adulta, tal como lo hacen hoy los saltamontes, los grillos y algunos otros insectos. Parece que la metamorfosis completa en los insectos solo se produjo hace unos 350 millones de años, antes de los dinosaurios.
La mayoría de los investigadores creen ahora que la metamorfosis evolucionó para disminuir la competencia por los recursos entre los adultos y sus crías: cambiar a las larvas a una forma muy diferente les permitió comer alimentos muy diferentes a los de los adultos. “Fue una gran estrategia”, dijo Truman. Los insectos que comenzaron a experimentar una metamorfosis completa, como escarabajos, moscas, mariposas, abejas, avispas y hormigas, aumentaron en número.
Cuando Truman era niño, pasaba horas observando el proceso de los insectos. En el caso de las crisopas, en particular, “me intrigaba la ferocidad de la larva frente a la naturaleza delicada del adulto”, dijo.
Su pasión de la infancia se convirtió con el tiempo en una carrera y una familia. Después de casarse con su asesora de doctorado, Lynn Riddiford, que también es profesora emérita de la Universidad de Washington, viajaron por el mundo, recolectando insectos que se metamorfosean y otros que no, para comparar sus trayectorias de desarrollo.
Mientras Riddiford centró su trabajo en el efecto de las hormonas en la metamorfosis, Truman estaba más interesado en el cerebro. En 1974, publicó el primer artículo sobre lo que le sucede al cerebro durante la metamorfosis, para el cual rastreó el número de neuronas motoras en larvas y adultos de gusanos cuernos. Desde entonces, numerosos estudios han detallado diferentes neuronas y partes del cerebro de larvas y adultos, pero son anecdóticos o se centran en aspectos muy pequeños del proceso. «No teníamos una visión general», dijo Truman.
Truman sabía que para entender realmente lo que le sucede al cerebro, tenía que poder rastrear células y circuitos individuales a través del proceso. El sistema nervioso de una mosca de la fruta ofrecía una oportunidad práctica para hacerlo: aunque la mayoría de las células corporales de la larva de la mosca de la fruta mueren cuando se transforma en un adulto, muchas de las neuronas de su cerebro no lo hacen.
“El sistema nervioso nunca ha podido cambiar la forma en que produce neuronas”, dijo Truman. Esto se debe en parte a que el sistema nervioso de todos los insectos surge de una serie de células madre llamadas neuroblastos que maduran hasta convertirse en neuronas. Ese proceso es más antiguo que la metamorfosis en sí y no se modifica fácilmente después de una determinada etapa de desarrollo. Por lo tanto, aunque casi todas las demás células del cuerpo larvario de la mosca de la fruta se eliminan, la mayoría de las neuronas originales se reciclan para funcionar de nuevo en el adulto.
La mente remodelada
Mucha gente imagina que durante la metamorfosis, cuando las células larvarias comienzan a morir o a reorganizarse, el cuerpo del insecto dentro de su capullo o envoltura exoesquelética se convierte en algo así como una sopa, con todas las células restantes deslizándose juntas y fluidamente. Pero eso no es del todo cierto, explicó Truman. “Todo tiene una posición… pero es realmente delicado, y si abres al animal, todo estalla”, dijo.
Para mapear los cambios cerebrales en esa masa gelatinosa, Truman y sus colegas examinaron larvas de mosca de la fruta modificadas genéticamente que tenían neuronas específicas que emitían un color verde fluorescente bajo el microscopio. Descubrieron que esta fluorescencia a menudo se desvanecía durante la metamorfosis, por lo que utilizaron una técnica genética que habían desarrollado en 2015 para activar una fluorescencia roja en las mismas neuronas al administrarles a los insectos un medicamento en particular.
«Es un método muy interesante», afirma Andreas Thum, neurocientífico de la Universidad de Leipzig y coautor del comentario junto con Gerber. Permite observar no solo una, dos o tres neuronas, sino una red completa de células.
Los investigadores se centraron en el cuerpo del hongo, una región del cerebro fundamental para el aprendizaje y la memoria en las larvas y los adultos de la mosca de la fruta. La región consta de un grupo de neuronas con largas colas axónicas que se encuentran en líneas paralelas como las cuerdas de una guitarra. Estas neuronas se comunican con el resto del cerebro a través de neuronas de entrada y salida que se entrelazan dentro y fuera de las cuerdas, creando una red de conexiones que permiten al insecto asociar los olores con experiencias buenas o malas. Estas redes están dispuestas en compartimentos computacionales distintos, como los espacios entre los trastes de la guitarra. Cada compartimento tiene una tarea, como guiar a una mosca hacia algo o alejarla de él.
Truman y su equipo descubrieron que cuando las larvas experimentan la metamorfosis, solo siete de sus diez compartimentos neuronales se incorporan al cuerpo del hongo adulto. Dentro de esos siete, algunas neuronas mueren y otras se remodelan para realizar nuevas funciones adultas. Todas las conexiones entre las neuronas del cuerpo del hongo y sus neuronas de entrada y salida se disuelven. En esta etapa de transformación, «es una especie de situación budista definitiva en la que no hay entradas ni salidas», dijo Gerber. «Somos solo yo, yo mismo y yo».
Las neuronas de entrada y salida de los tres compartimentos larvarios que no se incorporan al cuerpo del hongo adulto se deshacen por completo de sus antiguas identidades. Abandonan el cuerpo del hongo y se integran en nuevos circuitos cerebrales en otras partes del cerebro adulto. “No sabrías que son las mismas neuronas, si no fuera porque hemos podido seguirlas tanto genética como anatómicamente”, dijo Truman.
Los investigadores sugieren que estas neuronas reubicadas son sólo huéspedes temporales en el cuerpo de la larva del hongo, que asumen las funciones larvarias necesarias durante un tiempo, pero luego regresan a sus tareas ancestrales en el cerebro adulto. Esto concuerda con la idea de que el cerebro adulto es la forma ancestral más antigua dentro del linaje y el cerebro larvario más simple es una forma derivada que surgió mucho más tarde.
Además de las neuronas larvarias remodeladas, a medida que la larva crece nacen muchas neuronas nuevas. Estas neuronas no son utilizadas por la larva, pero en la metamorfosis maduran y se convierten en neuronas de entrada y salida para nueve nuevos compartimentos computacionales específicos de los adultos.
El cuerpo del hongo en la larva se parece mucho a la versión adulta, dijo Thum, pero “el recableado es realmente intenso”. Es como si las entradas y salidas de una máquina computacional se interrumpieran, pero de alguna manera mantuvieran su funcionalidad inalámbrica, dijo Gerber. “Es casi como si desenchufaras y volvieras a enchufar deliberadamente” la máquina.
Como resultado, el cuerpo en forma de hongo del cerebro adulto es “fundamentalmente… una estructura completamente nueva”, dijo K. Vijay Raghavan, profesor emérito y ex director del Centro Nacional de Ciencias Biológicas de la India, quien fue el editor principal del artículo y no participó en el estudio. No hay ninguna indicación anatómica de que los recuerdos pudieran haber sobrevivido, agregó.
La fragilidad de la memoria
Los investigadores se han mostrado entusiasmados con la cuestión de si los recuerdos de una larva pueden transmitirse al insecto adulto, dijo Williams, pero la respuesta no ha sido clara.
Los tipos de recuerdos que habitan en el cuerpo en forma de hongo de una mosca de la fruta son recuerdos asociativos, del tipo que vincula dos cosas diferentes: el tipo de recuerdo que hacía que a los perros de Pavlov se les hiciera agua la boca al oír el sonido de una campana, por ejemplo. En el caso de la mosca de la fruta, los recuerdos asociativos suelen estar relacionados con los olores y guían a la mosca hacia algo o alejándose de él.
Sin embargo, su conclusión de que los recuerdos asociativos no pueden sobrevivir puede no ser válida para todas las especies. Las larvas de mariposas y escarabajos, por ejemplo, nacen con sistemas nerviosos más complejos y más neuronas que las larvas de la mosca de la fruta. Como sus sistemas nerviosos son más complejos al principio, es posible que no tengan que ser remodelados tanto.
Estudios previos han encontrado evidencia de que otros tipos de memorias pueden persistir en algunas especies. Por ejemplo, explicó Gerber, las observaciones y experimentos sugieren que muchas especies de insectos muestran una preferencia por reproducirse en los mismos tipos de plantas en las que maduraron: las larvas que nacen y se crían en manzanos tienden más tarde a poner huevos en manzanos cuando son adultas. “Así que uno se pregunta cómo se relacionan estos dos tipos de observaciones”, dijo. ¿Cómo se transfieren estas preferencias si los recuerdos no lo hacen? Una posibilidad es que los recuerdos asociativos no se transfieran, pero sí otros tipos de recuerdos alojados en otras partes del cerebro, dijo.
Los datos ofrecen oportunidades para comparar el desarrollo de los sistemas nerviosos en animales que se metamorfosean y en aquellos que no. El sistema nervioso de los insectos se ha conservado lo suficiente durante la evolución como para que los investigadores puedan identificar neuronas equivalentes en especies de desarrollo directo, como los grillos y los saltamontes. Las comparaciones entre ellos pueden responder a preguntas como la forma en que las células individuales pasaron de tener una sola identidad a tener múltiples identidades. Es «una herramienta comparativa increíblemente poderosa», dijo Williams.
Thum cree que sería interesante ver si las especies de insectos que viven en diferentes entornos pueden variar en la forma en que se reorganizan sus cerebros, y si los recuerdos pueden sobrevivir en cualquiera de ellas. Gerber siente curiosidad por ver si los mecanismos celulares en la metamorfosis de los insectos son los mismos en otros animales que experimentan variaciones del proceso, como los renacuajos que se convierten en ranas o criaturas inmóviles similares a hidras que se convierten en medusas. «Quizás incluso estés lo suficientemente loco como para preguntarte si deberíamos considerar la pubertad como una especie de metamorfosis», dijo.
Truman y su equipo esperan ahora llegar al nivel molecular para ver qué genes afectan a la maduración y evolución del sistema nervioso. En 1971, los investigadores plantearon la hipótesis en un artículo teórico de que un trío de genes dirige el proceso de metamorfosis de los insectos, una idea que Riddiford y Truman confirmaron en un artículo de 2022. Pero los mecanismos detrás de cómo estos genes funcionan para remodelar el cuerpo y el cerebro siguen sin estar claros.
El objetivo final de Truman es lograr que una neurona adopte su forma adulta en el cerebro de una larva. Si se logra piratear el proceso, tal vez podamos entender realmente cómo estos insectos crean múltiples identidades a lo largo del tiempo.
Se desconoce cómo serían los patrones de reorganización en otras partes del cerebro, pero es probable que algunos aspectos de las capacidades mentales y las respuestas de la mosca de la fruta al mundo, conscientes o no, estén determinados por su vida larvaria, dijo Truman. “El desafío consiste en tratar de averiguar la naturaleza y el alcance de estos efectos”.
Publicado originalmente en Quantus Magazine .
https://scienceandnonduality.com/article/why-insect-memories-may-not-survive-metamorphosis/