Un estudio sobre la mosca de la fruta revela circuitos de células cerebrales que podrían ser la base de cómo las criaturas grandes y pequeñas ven las longitudes de onda de la luz como tonos ricos en información
Percibir algo (cualquier cosa) a tu alrededor es tomar conciencia de lo que tus sentidos están detectando. Hoy, neurocientíficos de la Universidad de Columbia identifican, por primera vez, circuitos de células cerebrales en moscas de la fruta que convierten señales sensoriales crudas en percepciones de color que pueden guiar el comportamiento.
Sus hallazgos fueron publicados en la revista Nature Neuroscience.
|
Selectividad de tono de circuitos recurrentes en Drosophila Resumen En la percepción del color, las longitudes de onda de la luz reflejada por los objetos se transforman en cantidades derivadas de brillo, saturación y tono. Se ha informado de neuronas que responden selectivamente al tono en la corteza de los primates, pero se desconoce cómo se produce su estrecha sintonía en el espacio de color mediante mecanismos de circuito ascendentes. Informamos el descubrimiento de neuronas en el lóbulo óptico de Drosophila con propiedades selectivas de tono, lo que permite el análisis a nivel de circuito del procesamiento del color. A partir de nuestro análisis de un volumen de microscopía electrónica de un cerebro completo de Drosophila, construimos un modelo de circuito restringido por conectómica que explica esta selectividad de tono. Nuestro modelo predice que las conexiones recurrentes en el circuito son críticas para generar selectividad de tono. Los experimentos que utilizan manipulaciones genéticas para perturbar la recurrencia en moscas adultas confirman esta predicción. Nuestros hallazgos revelan una base de circuito para la selectividad de tono en la visión del color. |
Comentarios
“Muchos de nosotros damos por sentado los ricos colores que vemos todos los días: el rojo de una fresa madura o el marrón intenso de los ojos de un niño. Pero esos colores no existen fuera de nuestro cerebro”, dijo Rudy Behnia , PhD, investigador principal del Instituto Zuckerman de Columbia y autor correspondiente del artículo. Más bien, explicó, los colores son percepciones que el cerebro construye a medida que da sentido a las longitudes de onda de luz más largas y más cortas detectadas por los ojos.
"Convertir las señales sensoriales en percepciones sobre el mundo es la forma en que el cerebro ayuda a los organismos a sobrevivir y prosperar", dijo el Dr. Behnia.
"Preguntar cómo percibimos el mundo parece una pregunta sencilla, pero responderla es un desafío", añadió el Dr. Behnia. "Mi esperanza es que nuestros esfuerzos por descubrir los principios neuronales que subyacen a la percepción del color nos ayuden a comprender mejor cómo los cerebros extraen las características en el entorno que son importantes para sobrevivir cada día”.
En su nuevo artículo, el equipo de investigación informa haber descubierto redes específicas de neuronas, un tipo de célula cerebral, en moscas de la fruta que responden selectivamente a varios tonos. El tono denota los colores percibidos asociados con longitudes de onda específicas, o combinaciones de longitudes de onda de luz, que en sí mismas no son inherentemente coloridas. Estas neuronas selectivas de tono se encuentran dentro del lóbulo óptico, el área del cerebro responsable de la visión.
Entre los tonos a los que responden estas neuronas se encuentran aquellos que las personas percibirían como violeta y otros que corresponden a longitudes de onda ultravioleta (no detectables por los humanos). La detección de tonos ultravioleta es importante para la supervivencia de algunas criaturas, como las abejas y quizás las moscas de la fruta; muchas plantas, por ejemplo, poseen patrones ultravioleta que pueden ayudar a guiar a los insectos hacia el polen.
Los científicos habían informado anteriormente sobre el hallazgo de neuronas en el cerebro de los animales que responden selectivamente a diferentes colores o matices, por ejemplo, rojo o verde. Pero nadie había podido rastrear los mecanismos neuronales que hacían posible esta selectividad tonal.
Aquí es donde la reciente disponibilidad de un conectoma del cerebro de una mosca ha resultado útil. Este intrincado mapa detalla cómo están interconectadas unas 130.000 neuronas y 50 millones de sinapsis en el cerebro del tamaño de una semilla de amapola de una mosca de la fruta, dijo el Dr. Behnia, quien también es profesor asistente de neurociencia en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de Columbia.
Con el conectoma como referencia (similar a la imagen de una caja de rompecabezas que sirve como guía para saber cómo encajan mil piezas), los investigadores utilizaron sus observaciones de las células cerebrales para desarrollar un diagrama que sospechaban que representa el circuito neuronal detrás de la selectividad de tono. Luego, los científicos retrataron estos circuitos como modelos matemáticos para simular y probar las actividades y capacidades de los circuitos.
"Los modelos matemáticos sirven como herramientas que nos permiten comprender mejor algo tan confuso y complejo como todas estas células cerebrales y sus interconexiones", dijo Matthias Christenson , PhD, coautor del artículo y ex miembro del Dr. El laboratorio de Behnia. "Con los modelos, podemos trabajar para darle sentido a toda esta complejidad". También contribuyó de manera crucial al trabajo de modelado el Dr. Larry Abbott , Profesor William Bloor de Neurociencia Teórica, Profesor de Fisiología y Biofísica Celular e investigador principal en el Instituto Zuckerman.
El modelado no solo reveló que estos circuitos pueden albergar la actividad necesaria para la selectividad de tono, sino que también señaló un tipo de interconectividad de célula a célula, conocida como recurrencia, sin la cual la selectividad de tono no puede ocurrir. En un circuito neuronal con recurrencia, las salidas del circuito vuelven a circular para convertirse en entradas. Y eso sugirió otro experimento más, dijo Álvaro Sanz-Diez , PhD, investigador postdoctoral en el laboratorio del Dr. Behnia y otro coautor del artículo de Nature Neuroscience.
"Cuando utilizamos una técnica genética para alterar parte de esta conectividad recurrente en el cerebro de las moscas de la fruta, las neuronas que previamente mostraban actividad selectiva de tono perdieron esa propiedad", dijo el Dr. Sanz-Diez. "Esto reforzó nuestra confianza en que realmente habíamos descubierto los circuitos cerebrales involucrados en la percepción del color".
"Ahora sabemos un poco más sobre cómo el cableado del cerebro hace posible construir una representación perceptual del color", dijo el Dr. Behnia. "Mi esperanza es que nuestros nuevos hallazgos puedan ayudar a explicar cómo el cerebro produce todo tipo de percepciones, entre ellas el color, el sonido y el gusto".
Discusión
Se han medido señales relacionadas con el color en especies que utilizan información cromática para impulsar sus comportamientos. Se han registrado neuronas con sintonización espectral estrecha en varias especies, pero las neuronas selectivas de tono solo se han caracterizado cuidadosamente en la corteza de primates. Aquí hemos identificado y descrito las propiedades de las neuronas en el lóbulo óptico de la mosca de la fruta que tienen las características de las neuronas selectivas de tono. Este hallazgo brindó una oportunidad única para definir los mecanismos de los circuitos neuronales para la aparición de señales selectivas de tono en los circuitos visuales de un organismo genéticamente manejable.
Utilizando un enfoque de modelado restringido por conectómica, combinado con manipulaciones genéticas del circuito, demostramos que las conexiones recurrentes son críticas para establecer señales selectivas de tono, sin necesidad de integración sináptica no lineal. Este resultado destaca la recurrencia como un mecanismo fundamental en los circuitos biológicos que permite realizar cálculos no lineales sin requerir integración de entradas sinápticas no lineales. Nuestros hallazgos revelan la base del circuito para una transición de la detección física a la representación perceptiva en la visión del color.