Tomó—casi como un juego—cuatro mil millones de años que el cerebro humano, capaz de pensar y sentir, evolucionara. Todo empezó porque los organismos unicelulares más simples, que vivieron hace eones, tuvieron que resolver los mismos problemas que enfrentamos hoy. Curiosamente, nuestro sistema nervioso tiene sus raíces en... las esponjas.
Como ocurre en la mayoría de los eventos evolutivos, la aparición de las neuronas no fue súbita; surgió gradualmente mediante pequeñas modificaciones que acompañaron la transición de las esponjas a los primeros animales con aguijón.
Al principio… una esponja
Las esponjas adultas son organismos sésiles que permanecen adheridos a un sustrato sólido. En su fase larvaria, sin embargo, son nadadoras libres y se desplazan activamente. La superficie externa de las larvas está cubierta de proyecciones llamadas cilios, que utilizan para moverse. Cada cilio está unido a una célula ciliar, similar a una célula flagelada.
Existen dos tipos de células ciliadas en distintas regiones de la larva. Los cilios cortos se encuentran en las células nadadoras que cubren la mayor parte del cuerpo y su batido constante genera movimientos caóticos que hacen que la larva se desplace de forma aleatoria. Los cilios largos, en cambio, están concentrados en células de control situadas en un extremo del cuerpo y son sensibles a la luz. Al llegar a la adultez, los cilios desaparecen.
El fragmento anterior proviene del nuevo libro de Joseph LeDoux, The History of Our Consciousness, publicado por Copernicus Center Press.
Gaspar Jekely propuso una hipótesis fascinante: la natación basada en cilios de las larvas de esponja preparó el terreno para la aparición de neuronas en los primeros animales con aguijón. Según Jekely, las neuronas evolucionaron primero para mejorar la integración sensorimotora.
Los dinoflagelados, parientes cercanos del ancestro protista de las esponjas, deben detectar luz, nadar y controlar su movimiento con una sola célula. Las larvas de esponja, al contar con muchas células, pueden repartir funciones entre ellas.
Al separar la detección de luz de la control general del movimiento, las larvas distinguieron funciones sensoriales de las natatorias. Sin embargo, las células sensoriales no podían influir rápidamente en las células nadadoras porque estaban ubicadas lejos y la comunicación química era demasiado lenta. La solución fue que las células con cilios cortos mantenían a la larva en movimiento caótico, mientras que las células sensoriales con cilios largos, además de detectar estímulos, asumían la dirección, una tarea menos exigente que nadar.
La neurona no se construyó en un día
Este arreglo resultó ineficiente comparado con lo que permitieron las neuronas y sinapsis. ¿Cómo surgieron entonces?
Jekely sugiere varios pasos. Primero, las células sensoriales y motoras se agruparon cercanas entre sí, a diferencia de la distribución anterior. Los químicos liberados por las células sensoriales podían difundir a las vecinas motoras y coordinar su actividad a corta distancia.
Después, la célula sensorial desarrolló una prolongación que permitió que sus señales químicas alcanzaran motoras más lejanas, superando parcialmente la limitación de la difusión.
La verdadera solución consistió en incorporar una transmisión eléctrica rápida a lo largo de esas prolongaciones, que más tarde se convirtieron en axones, complementada por una comunicación química corta entre axón y célula motora. Así, la distancia entre células sensoriales y motoras dejó de ser un obstáculo, permitiendo la comunicación a lo largo de todo el cuerpo.
Acción: mutación
solemos pensar la evolución solo en adultos, pero los cambios ocurren durante el desarrollo. Tanto esponjas como rayas venenosas pasan por una fase larvaria ciliada y luego forman un pólipo. Una mutación que alterara el patrón de desarrollo de la esponja pudo, mediante selección natural, dar lugar a un pólipo que se convirtió en la base para la evolución de los animales con aguijón.
Las primeras etapas de la vida reflejan mejor la relación con los ancestros evolutivos que la morfología adulta, porque la selección natural modifica la forma en que los genes construyen los organismos durante el desarrollo. Cuando una mutación del desarrollo es ventajosa, se vuelve más frecuente y, al acumularse, puede cambiar el “Bauplan” y originar una nueva especie. Este vínculo entre desarrollo y evolución es el campo de la biología evolutiva del desarrollo, o evo‑devo.
La selección natural altera la manera en que los genes construyen los organismos durante el desarrollo individual.
De las esponjas al sistema nervioso
Aunque las esponjas carecen de neuronas, poseen lo que Seth Grant denomina elementos protosinápticos básicos: genes que en animales posteriores forman los sitios presinápticos (proteínas que almacenan neurotransmisores) y postsinápticos (receptores que los capturan), así como moléculas de adhesión que estabilizan las uniones sinápticas.
¿Por qué las esponjas no desarrollaron sinapsis pese a tener estos componentes? Les falta una señal molecular coordinada que active un programa genético de desarrollo temprano capaz de dar origen a un sistema nervioso.
Sin un programa que combine sistemáticamente los elementos presinápticos y postsinápticos, no es posible regular con precisión el comportamiento en respuesta a la información sensorial. Simplemente unir células vecinas no basta para crear un cerebro.
Jugando con los nervios
Resulta fascinante que algunos de esos elementos protosinápticos también se encuentren en flagelados con aletas. Ni los protistas ni las esponjas los usaron para formar neuronas, pero cuando los primeros animales con aguijón necesitaban transmitir información entre partes del cuerpo, reutilizaron esos componentes. Desde entonces, han permanecido en todos los animales posteriores.
El sistema nervioso de los primeros animales con aguijón era rudimentario: una red difusa de neuronas dispersas en la capa externa, similar a la piel. (Curioso detalle: tanto neuronas como células de la piel provienen del ectodermo embrionario, una relación que se conserva en los vertebrados).
Como en todos los sistemas nerviosos posteriores, esa red cumplía tres funciones básicas: recibir señales de receptores sensoriales (luz, tacto, gravedad, químicos), procesar esa información y generar órdenes motoras que activan los músculos.
Puede resultar increíble, pero nuestro sistema nervioso nació… gracias a esponjas.
Esta organización permite que distintas partes del cuerpo actúen como una unidad, aunque la red difusa no brinda una localización precisa de la respuesta motora. La hidra, por ejemplo, reacciona de la misma forma sin importar qué zona del cuerpo recibe el estímulo.
Los pólipos, como las hidras, poseen una red nerviosa difusa, mientras que los discos de medusa presentan agrupaciones neuronales. En algunas medusas, un anillo nervioso rodea la campana y controla la natación rápida; otras neuronas se concentran en las antenas y regulan la captura de presas y la transferencia de esperma durante la reproducción. Estas concentraciones locales permiten respuestas más precisas que la red difusa.
La ciencia aún no ha llegado al bosque
Según Detlev Arendt y colaboradores, los descubrimientos genéticos indican que los grupos de neuronas en las campanas y bocas de los discos son precursores de los planes corporales y cerebrales más complejos de los animales bilaterales que evolucionaron a partir de los primeros animales con aguijón. El grupo alrededor de la campana sería el antecedente de un conjunto especializado de neuronas que, en la mayoría de los metazoos, se ubica en la región de la cabeza (es decir, el futuro cerebro). Otro grupo, situado alrededor de la boca y las antenas, podría haber dado origen al futuro cordón nervioso que conecta el cerebro con el resto del cuerpo (en vertebrados, la médula espinal).
Este proceso muestra que las neuronas nacieron de la necesidad de comunicar células sensoriales y motoras. Antes definíamos el sistema nervioso como un dispositivo que integra lo sensorial y lo motor; ahora podemos ampliarlo: es un conjunto de células intermedias que coordinan los movimientos musculares en respuesta a estímulos sensoriales. En algunos organismos la mediación neuronal es simple (como en la red de las rayas), mientras que en otros es extremadamente compleja (como en el cerebro vertebrado). Sir Charles Scott Sherrington lo describió así: “El cerebro parece ser un tronco de actividad nerviosa en camino a un animal en movimiento”.
Si los sistemas nerviosos solo transmitieran información de A a B, el comportamiento se limitaría a respuestas innatas simples. Una gran ventaja es la plasticidad sináptica, la capacidad de modificar las conexiones neuronales con la experiencia, base del aprendizaje.
Se ha sugerido que la explosión Cambriana de formas animales estuvo impulsada por el surgimiento del aprendizaje basado en sistemas nerviosos. Aunque organismos sin nervios pueden aprender (piense en microbios unicelulares), los sistemas nerviosos hacen que el aprendizaje sea mucho más complejo y flexible.
El fragmento anterior proviene del nuevo libro de Joseph LeDoux, The History of Our Consciousness, publicado por Copernicus Center Press.
Esta modernización del “kit de supervivencia” habría diversificado los planes corporales. El aprendizaje neuronal habría facilitado la colonización de nuevos nichos, desencadenando una carrera armamentista evolutiva que modificó drásticamente rasgos físicos, aumentando con el tiempo la importancia del aprendizaje para la supervivencia.
Fuente
Extracto del libro de Joseph LeDoux, The History of Our Consciousness, Copernicus Center Press.
