Pienso, luego existo, pero ¿por qué pienso? Una breve historia de la larga evolución de las neuronas

Fueron necesarios, un poquito, cuatro mil millones de años. El cerebro humano que piensa y siente tardó tanto en evolucionar. Y todo porque incluso los organismos unicelulares más simples, que vivieron hace un tiempo inimaginable, tuvieron que resolver los mismos problemas a los que nos enfrentamos hoy. Puede que cueste creerlo, pero nuestro sistema nervioso fue creado gracias a... esponjas. ¿Cómo fue este proceso?

Como la mayoría de los acontecimientos evolutivos, la aparición de las neuronas no se produjo de repente. Se desarrollaron gradualmente, a través de los pequeños cambios que tuvieron lugar durante la transición de las esponjas a los pájaros que pican.

Al principio había… una esponja

Las esponjas adultas... son criaturas sedentarias que generalmente permanecen adheridas a un sustrato sólido. En su juventud, sin embargo, tenían la capacidad de nadar libremente y moverse mucho. La superficie exterior del cuerpo de las larvas de esponjas está cubierta por protuberancias llamadas cilios que el cuerpo joven utiliza para moverse. Los cilios están adheridos a las células (uno por cada célula ciliar). Se parecen a las células flageladas.

Hay dos tipos de células ciliadas en diferentes lugares de una esponja joven. Los cilios cortos se encuentran en las células nadadoras que cubren la mayor parte de la superficie corporal de la larva. El constante batir de estos cilios provoca movimientos aleatorios y desenfocados que hacen que la larva se mueva . Los cilios largos, por otro lado, están alojados en células de control concentradas en un extremo del cuerpo. Son sensibles a la luz (…). Los cilios desaparecen cuando la esponja llega a la edad adulta.

El texto anterior es un extracto del último libro de Joseph LeDoux, "La historia de nuestra conciencia", que acaba de ser publicado por Copernicus Center Press.

Gaspar Jekely propuso una hipótesis fascinante sobre cómo la natación de las larvas de esponja basada en los cilios allanó el camino para la aparición de neuronas en los escarabajos. Según Jekely, las neuronas evolucionaron primero para mejorar la integración sensoriomotora.

Recordemos que los dinoflagelados, que están estrechamente relacionados con el ancestro protista de las esponjas, deben detectar la luz, nadar y controlar el movimiento (además de comer y reproducirse) con una sola célula. Las larvas de esponja tienen la ventaja de tener muchas células y sus genes pueden distribuir tareas entre células individuales.

Al separar la detección de luz del control general del movimiento, las larvas de esponja separaron las funciones sensoriales de las funciones de natación. Sin embargo, surgió un problema. Las células sensoriales no pueden afectar rápidamente a las células nadadoras porque están ubicadas en otras partes del cuerpo y la comunicación química es demasiado lenta para eso. La solución fue que las células con cilios cortos mantenían a la larva en constante movimiento caótico, y las células sensoriales con cilios largos, además de detectar estímulos, también asumían la responsabilidad de dirigir, que es una tarea menos exigente que nadar.

La neurona no se construyó en un día

Sin embargo, esto resultó ineficaz en comparación con lo que finalmente hicieron posible las neuronas. Entonces, ¿cómo se desarrollaron las neuronas y las sinapsis?

Según la hipótesis de Jekely, la transformación se produjo en unos pocos pasos: el primer cambio hipotético fue la agrupación de células sensoriales y motoras cerca unas de otras en lugar de en diferentes partes del cuerpo (como en las células de control/detección de luz y las células nadadoras). Las sustancias químicas secretadas por las células sensoriales podían difundirse hacia los cuerpos de las células motoras vecinas y coordinar su actividad, que funcionaba a distancias cortas.

Luego, el cuerpo de la célula sensorial desarrolló un apéndice, gracias al cual las sustancias químicas que secretaba podían influir en las células motoras ubicadas más alejadas. Esto ayudó hasta cierto punto a superar las limitaciones espaciales de la difusión química entre células, pero con la extensión del pico surgió una limitación adicional:la comunicación todavía se basaba en una lenta difusión química en los apéndices de la célula sensorial.

La solución fue utilizar una comunicación eléctrica rápida dentro de los apéndices que se convirtieron en axones, seguida de una comunicación química lenta para cerrar la corta brecha entre las células sensoriales y motoras. Como resultado, la distancia entre las células sensoriales y motoras se volvió menos importante y las células de una parte del sistema nervioso podían comunicarse con las células de otras partes del cuerpo independientemente de su distancia.

Acción:mutación

Generalmente pensamos en la evolución en términos de cómo afecta los cuerpos de los adultos. Por tanto, nos resulta difícil imaginar cómo se desarrollaron la hidra y el disco a partir de las esponjas. El proceso será más comprensible cuando nos demos cuenta de que tanto las esponjas como las mantarrayas pasan por la etapa de larvas ciliadas y luego se desarrollan hasta convertirse en un pólipo de jarra. En otras palabras, la modificación genética del patrón de desarrollo de la esponja podría, por selección natural, haber dado como resultado el desarrollo de una larva que maduró en forma de pólipo, que a su vez fue el punto de partida para la evolución de las aves picadoras.

Las primeras etapas de la vida tienden a reflejar mejor la relación de una especie con sus ancestros evolutivos que la forma corporal de un individuo adulto. Esto se debe a que la selección natural altera la forma en que los genes construyen los organismos durante el desarrollo individual. Cuando las mutaciones del desarrollo son favorables, se vuelven más comunes en una población, y cuando un determinado rasgo es adquirido por un número suficientemente grande de individuos, Bauplan cambia tanto que surge una nueva especie o incluso tipo. La estrecha relación del desarrollo temprano con la evolución es de interés para la biología evolutiva del desarrollo, la llamada evo-devo .

La selección natural altera la forma en que los genes construyen organismos durante el desarrollo individual.

Hay otro hilo importante en la historia de cómo las esponjas nos dieron el sistema nervioso . Bueno, si bien las esponjas en sí no tienen neuronas, sí tienen lo que Seth Grant llama elementos protosinápticos básicos. Más específicamente, tienen genes que, en animales posteriores, son responsables del sitio presináptico (por ejemplo, los genes que codifican proteínas que forman las estructuras que almacenan neurotransmisores en paquetes antes de ser liberados en la hendidura sináptica) y del sitio postsináptico ( por ejemplo, genes que codifican receptores que se unen a neurotransmisores liberados), así como genes que codifican moléculas de adhesión utilizadas para estabilizar las uniones sinápticas formadas.

¿Por qué las esponjas no lograron desarrollar sinapsis a pesar de tener estos ingredientes clave? Parece que carecen de señales moleculares que desencadenen de manera coordinada la expresión genética en las primeras etapas del desarrollo, mediante las cuales puede surgir el sistema nervioso.

En ausencia de un programa de desarrollo genéticamente codificado que guiara la combinación de elementos presinápticos y postsinápticos, era imposible controlar con precisión el comportamiento en respuesta a la información sensorial. Simplemente conectar y pegar células adyacentes no es suficiente para crear un cerebro animal. Desarrollar sinapsis especializadas en transmitir señales visuales, táctiles o gustativas, o capaces de dirigir movimientos de partes particulares del cuerpo o de todo el cuerpo hacia o desde un estímulo específico, requiere una arquitectura precisa de conexiones entre las células.

Jugando con los nervios

Es especialmente fascinante que algunos de estos elementos protosinápticos básicos también se encuentren en los flagelados de brida. Ni estos protistas ni las esponjas tuvieron tiempos muertos para ser utilizados para formar neuronas y sinapsis, sino que sirvieron para otros fines. Cuando llegó el momento de crear sinapsis entre neuronas para solucionar el problema de comunicación entre las diferentes partes del cuerpo, se utilizaron para ello elementos existentes. . Y una vez que estos elementos fueron aprovechados por los escarabajos para la transmisión sináptica, conservaron esta función en todos los animales posteriores.

El sistema nervioso de los escarabajos es rudimentario y está compuesto principalmente por una red neuronal simple:una colección difusa de neuronas esparcidas por la capa externa de tejido similar a la piel. (Un detalle interesante:la relación entre la piel y las neuronas, donde tanto las neuronas como las células de la piel se desarrollan a partir de la capa de ectodermo de un embrión en desarrollo, se ha conservado en vertebrados como nosotros).

Como todos los sistemas nerviosos posteriores, las redes neuronales de los aguijones son esencialmente sistemas de integración sensoriomotora que realizan tres tareas básicas. Primero, reciben mensajes de receptores sensoriales que son sensibles a la luz, el tacto, la fuerza de la gravedad o las sustancias químicas. En segundo lugar, seleccionan y procesan mensajes sensoriales. En tercer lugar, producen órdenes motoras que controlan la actividad muscular.

Puede que parezca difícil de creer, pero nuestro sistema nervioso fue creado gracias a… esponjas.

Esto permite que diferentes partes del cuerpo reaccionen como una sola entidad. Sin embargo, la red neuronal no permite la localización precisa de la respuesta motora. Hydra reacciona de la misma manera independientemente de qué parte del cuerpo esté en contacto con el estímulo.

Los guisos con forma de pólipo, como las hidras, generalmente tienen sólo una red difusa de nervios, mientras que en los discos con forma de medusa, las neuronas también se agregan en grupos. Por ejemplo, algunas neuronas forman un anillo nervioso alrededor de la sombrilla de la medusa, que controla sus movimientos durante la natación rápida; otros se concentran en antenas y controlan la natación libre y la captura de presas y la transferencia de esperma durante la reproducción sexual. Por lo tanto, estos diferentes conjuntos locales de neuronas permiten una respuesta a la estimulación más precisa que la propia red neuronal.

La ciencia no se ha ido al bosque

Según Detlev Arendt y sus colegas, los descubrimientos genéticos indican que los grupos de neuronas en las sombrillas y bocas de los discos son los precursores de los planes corporales y cerebrales más complejos característicos de los animales simétricos bilaterales que evolucionaron a partir de los escarabajos. El grupo paraguas parece ser el precursor de un conjunto especializado de neuronas que apareció en la región de la cabeza de la mayoría de los metazoos . (en otras palabras, un precursor de lo que conocemos como cerebro). Otro grupo, ubicado alrededor de la boca y las antenas, puede haberse alargado hacia el tronco nervioso posterior que conecta el cerebro con el resto del cuerpo (en los vertebrados es la médula espinal).

El proceso descrito aquí muestra que las neuronas nacieron de la necesidad de comunicación entre las células sensoriales y motoras . Anteriormente definimos el sistema nervioso como un dispositivo que combina aspectos sensoriales y motores, pero ahora podemos ampliar esta definición diciendo que es un conjunto de células que se encuentran entre las células sensoriales y motoras del cuerpo y coordinan los movimientos musculares del cuerpo. en respuesta a estímulos sensoriales. En algunos organismos, la mediación neuronal es relativamente simple (como en las redes nerviosas de la mantarraya) y en otros es extremadamente compleja (como en el cerebro de los vertebrados). El gran pionero de la neurobiología, Sir Charles Scott Sherrington, lo expresó de esta manera:"El cerebro parece ser un tronco para la actividad nerviosa en su camino hacia un animal en movimiento".

Pero si los sistemas nerviosos existieran sólo para transmitir información del punto A al punto B, el comportamiento se limitaría a simples respuestas innatas. Una de las grandes ventajas del sistema nervioso es que es fácil modificar las neuronas a medida que el organismo interactúa con su entorno. Esta capacidad, llamada plasticidad sináptica, es la base del aprendizaje.

Se ha sugerido que un factor clave en la explosión cámbrica de cuerpos animales fue la aparición del aprendizaje basado en el sistema nervioso. Si bien los organismos sin sistema nervioso pueden aprender (recordemos la capacidad de aprender de los microbios unicelulares), es gracias a los sistemas nerviosos que el aprendizaje se ha vuelto mucho más complejo y flexible .

El texto anterior es un extracto del último libro de Joseph LeDoux "La historia de nuestra conciencia", que acaba de ser publicado por Copernicus Center Press.

Fuente:

El texto anterior es un extracto del último libro de Joseph LeDoux "La historia de nuestra conciencia", que acaba de ser publicado por Copernicus Center Press.