Los cerebros de los insectos se derriten y se reconectan durante la metamorfosis | Revista Cuanta

En las cálidas noches de verano, las crisopas verdes revolotean alrededor de los faroles brillantes en los patios traseros y en los campamentos. Los insectos, con sus alas en forma de velo, se distraen fácilmente de su preocupación natural por sorber el néctar de las flores, evitar 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 nacen se coman inmediatamente a sus hermanos no nacidos. Con mandíbulas en forma de hoz que perforan a sus presas y las succionan hasta dejarlas secas, las larvas de crisopa son "atroces", dijo james truman, 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 mejor conocido por transformar las orugas en mariposas. En su versión más extrema, la metamorfosis completa, las formas juvenil y adulta se ven y actúan como especies totalmente diferentes. La metamorfosis no es una excepción en el reino animal; es casi una regla. Más de 80% de las especies animales conocidas en la actualidad, principalmente insectos, anfibios e invertebrados marinos, experimentan algún tipo de metamorfosis o tienen ciclos de vida complejos y de múltiples 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 está el cerebro, que debe codificar no una sino múltiples identidades diferentes. Después de todo, la vida de un insecto volador que busca pareja es muy diferente de 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 ahora han aprendido cuánto reorganiza la metamorfosis partes del cerebro. En un estudio reciente publicado en la revista ELIFE, rastrearon docenas de neuronas en el cerebro de moscas de la fruta en metamorfosis. Descubrieron que, a diferencia del atormentado protagonista del cuento de Franz Kafka "La metamorfosis", que se despierta un día como un insecto monstruoso, es probable que los insectos adultos no recuerden mucho de su vida larvaria. Aunque muchas de las neuronas de las larvas en el estudio perduraron, la parte del cerebro del insecto que examinó el grupo de Truman se reconectó dramáticamente. Esa revisión de las conexiones neuronales reflejó un cambio igualmente dramático en el comportamiento de los insectos a medida que cambiaban de larvas rastreras y hambrientas a adultos voladores que buscaban pareja.

Sus hallazgos son "el ejemplo más detallado hasta la fecha" de lo que le sucede al cerebro de un insecto en metamorfosis, dijo Deniz Erezyilmaz, un científico investigador postdoctoral en el Centro de Circuitos Neurales y Comportamiento de la Universidad de Oxford que solía trabajar en el laboratorio de Truman pero no participó en este trabajo. Los resultados pueden aplicarse a muchas otras especies en la Tierra, agregó.

Más allá de detallar cómo el cerebro de una larva madura a un cerebro adulto, el nuevo estudio proporciona pistas sobre cómo la evolución hizo que el desarrollo de estos insectos tomara un desvío tan salvaje. “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".

“A esto lo llamo 'El Papel' en 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, emergieron de huevos que se parecían mucho a versiones más pequeñas de sí mismos adultos, o continuaron su "desarrollo directo" para acercarse cada vez más a su forma adulta, tal como lo hacen hoy en día los saltamontes, los grillos y algunos otros insectos. La metamorfosis completa parece haber surgido en los insectos hace solo unos 350 millones de años, antes de los dinosaurios.

La mayoría de los investigadores ahora creen que la metamorfosis evolucionó para disminuir la competencia por los recursos entre los adultos y sus crías: cambiar las larvas a una forma muy diferente les permitió comer alimentos muy diferentes a los adultos. “Fue una gran estrategia”, dijo Truman. Los insectos que comenzaron a sufrir una metamorfosis completa, como escarabajos, moscas, mariposas, abejas, avispas y hormigas, explotaron en número.

Cuando Truman era niño, pasaba horas observando a los insectos pasar por el proceso. Con las crisopas en particular, "me intrigó la ferocidad de la larva frente a la naturaleza delicada del adulto", dijo.

Su pasión de la infancia finalmente se convirtió en una carrera y una familia. Después de casarse con su asesor de doctorado, lynn riddiford, quien también es profesora emérita en la Universidad de Washington, viajaron por el mundo recolectando insectos que se metamorfosean y otros que no, para comparar sus caminos de desarrollo.

Mientras que 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 papel sobre lo que le sucede al cerebro durante la metamorfosis, para lo cual rastreó el número de neuronas motoras en larvas y adultos del gusano cornudo. 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 mucho de un panorama general”, dijo Truman.

Truman sabía que para comprender realmente lo que le sucede al cerebro, tenía que ser capaz de rastrear células y circuitos individuales a lo largo del proceso. El sistema nervioso de una mosca de la fruta ofreció una oportunidad práctica para hacerlo: aunque la mayoría de las células del cuerpo de la larva de la mosca de la fruta mueren cuando se transforma en un adulto, muchas de las neuronas en su cerebro no lo hacen.

“El sistema nervioso nunca ha sido capaz de cambiar la forma en que produce las neuronas”, dijo Truman. Eso se debe en parte a que el sistema nervioso de todos los insectos surge de una serie de células madre llamadas neuroblastos que maduran y se convierten en neuronas. Ese proceso es más antiguo que la metamorfosis misma y no se modifica fácilmente después de cierta etapa de desarrollo. Entonces, aunque se eliminan casi todas las demás células del cuerpo larvario de la mosca de la fruta, la mayoría de las neuronas originales se reciclan para funcionar de nuevo en el adulto.

La mente remodelada

Muchas personas imaginan que durante la metamorfosis, a medida que las células larvarias comienzan a morir o a reorganizarse, el cuerpo del insecto dentro de su capullo o cubierta exoesquelética se convierte en algo así como una sopa, con todas las células restantes deslizándose juntas de manera fluida. Pero eso no es del todo correcto, explicó Truman. “Todo tiene una posición... pero es muy delicado, y si abres al animal, todo revienta”, 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 brillaban con un verde fluorescente bajo el microscopio. Descubrieron que esta fluorescencia a menudo se desvanecía durante la metamorfosis, por lo que utilizaron una técnica genética. ellos habían desarrollado en 2015 para activar una fluorescencia roja en las mismas neuronas al administrar a los insectos un fármaco particular.

Es un "método muy bueno", dijo Andreas Thum, neurocientífico de la Universidad de Leipzig y coautor del comentario con Gerber. Le 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 crítica para el aprendizaje y la memoria en las larvas y adultos de la mosca de la fruta. La región consta de un grupo de neuronas con largas colas axonales 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 entran y salen de las cuerdas, creando una red de conexiones que permiten al insecto asociar olores con buenas o malas experiencias. Estas redes están dispuestas en distintos compartimentos computacionales, como los espacios entre los trastes de la guitarra. Cada compartimento tiene una tarea, como guiar a una mosca hacia o desde algo.

Truman y su equipo encontraron que cuando las larvas experimentan metamorfosis, solo siete de sus 10 compartimentos neurales 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 en el cuerpo del hongo y sus neuronas de entrada y salida se disuelven. En esta etapa de transformación, "es una especie de situación budista final en la que no tienes entradas, no tienes salidas", dijo Gerber. “Solo somos yo, yo y yo”.

Las neuronas de entrada y salida en los tres compartimentos larvarios que no se incorporan al cuerpo del hongo adulto se despojan 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 eran las mismas neuronas, excepto que hemos sido capaces de seguirlas tanto genética como anatómicamente”, dijo Truman.

Los investigadores sugieren que estas neuronas que se reubican son solo huéspedes temporales en el cuerpo del hongo larvario, asumiendo funciones larvarias necesarias por un tiempo pero luego regresando a sus tareas ancestrales en el cerebro adulto. Eso está de acuerdo con la idea de que el cerebro adulto es la forma ancestral más antigua dentro del linaje y el cerebro larval más simple es una forma derivada que llegó mucho más tarde.

Además de las neuronas larvales remodeladas, nacen muchas neuronas nuevas a medida que crece la larva. Estas neuronas no son utilizadas por la larva, pero en la metamorfosis maduran para convertirse en neuronas de entrada y salida para nueve nuevos compartimentos computacionales que son específicos para adultos.

El cuerpo de hongo en la larva se parece mucho a la versión adulta, dijo Thum, pero "el cableado 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 fuera a desenchufar y volver a enchufar deliberadamente” la máquina.

Como resultado, el cuerpo 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 indicios anatómicos de que los recuerdos pudieran haber sobrevivido, añadió.

La fragilidad de la memoria

Los investigadores se han entusiasmado con esta pregunta 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 viven en el cuerpo de hongo de una mosca de la fruta son recuerdos asociativos, del tipo que une dos cosas diferentes, el tipo de memoria que dejó a los perros de Pavlov salivando con el sonido de una campana, por ejemplo. Para la mosca de la fruta, los recuerdos asociativos generalmente involucran olores y guían a la mosca hacia o lejos de algo.

Sin embargo, su conclusión de que los recuerdos asociativos no pueden sobrevivir puede no ser cierta 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 moscas de la fruta. Debido a que sus sistemas nerviosos comienzan siendo más complicados, es posible que no tengan que remodelarlos tanto.

Estudios previos han encontrado evidencia de que otros tipos de recuerdos pueden persistir en algunas especies. Por ejemplo, explicó Gerber, las observaciones y los experimentos sugieren que muchas especies de insectos muestran preferencia por reproducirse en los mismos tipos de plantas donde maduraron: las larvas que nacen y se crían en los manzanos luego tienden a poner huevos en los manzanos cuando son adultos. “Así que uno se pregunta cómo se relacionan estos dos tipos de observaciones”, dijo. ¿Cómo se transmiten estas preferencias si los recuerdos no? 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 los 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 grillos y saltamontes. Las comparaciones entre ellos pueden responder preguntas tales como cómo las células individuales cambiaron de tener identidades únicas a múltiples. 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 sus cerebros se reorganizan y si los recuerdos pueden sobrevivir en cualquiera de ellos. Gerber tiene 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 renacuajos que se convierten en ranas o criaturas inmóviles parecidas a hidras que se convierten en medusas. “Puede que incluso estés lo suficientemente loco como para preguntarte si deberíamos considerar la pubertad como una especie de metamorfosis”, dijo.

Truman y su equipo ahora esperan sumergirse hasta el nivel molecular para ver qué genes afectan 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 papel 2022. Pero los mecanismos detrás de cómo funcionan estos genes para remodelar el cuerpo y el cerebro siguen sin estar claros.

El objetivo final de Truman es persuadir a una neurona para que adopte su forma adulta en el cerebro larvario. Hackear con éxito el proceso podría significar que realmente comprendemos 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 al mundo de la mosca de la fruta, conscientes o no, estén moldeados por su vida larvaria, dijo Truman. “El desafío está en tratar de averiguar la naturaleza y el alcance de estos efectos”.