En una arena circular, una mosca de la fruta navega por un paisaje virtual iluminado por luces negras y azules. La mosca está atada en su lugar, puede batir sus alas pero no mover la cabeza. Las imágenes en la pared giran para dar la ilusión de movimiento.
Sin embargo, este no es un paseo de carnaval de insectos. Es una configuración que los investigadores del Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes están utilizando para estudiar cómo las moscas de la fruta se orientan y construyen mapas mentales del mundo.
Ahora, dos estudios llevados a cabo de forma independiente en Janelia y la Facultad de Medicina de Harvard muestran cómo la brújula neuronal de una mosca utiliza señales visuales para refinar el sentido de orientación del insecto. Los mapas mentales de las moscas son sorprendentemente maleables, sugieren ambos estudios, publicados el 20 de noviembre de 2019,en la revista Naturaleza .
Los científicos pueden realmente reescribir el sentido de la dirección de los insectos jugando con su brújula neural. Y con solo unas pocas piezas de información visual, las moscas pueden construir un nuevo mapa de su entorno.
Los estudios teóricos han explicado cómo los mapas espaciales en el cerebro podrían ajustarse a nuevos objetos visuales, dice Yvette Fisher, becaria del HHMI Hanna Gray y coautora del estudio de Harvard. "Pero nadie lo había visto a nivel mecanicista".
Los hallazgos brindan una nueva perspectiva sobre cómo los cerebros pueden construir un mapa estable de una escena sin dejar de ser lo suficientemente flexibles para adaptarse a nuevos escenarios, dice Sung Soo Kim, neurocientífico de la Universidad de California en Santa Bárbara, quien dirigió el estudio en JaneliaEl trabajo también tiene implicaciones en la forma en que otros animales navegan en la naturaleza, agrega Fisher, desde insectos como hormigas y escarabajos peloteros hasta mamíferos como ratones, y tal vez incluso humanos.
sentido de la dirección
Al igual que los humanos, las moscas pueden orientarse rápidamente usando puntos de referencia en su entorno, construyendo un mapa mental del paisaje que las rodea.
Las moscas tienen un anillo de "neuronas de brújula" en su cerebro que reflejan la orientación de la mosca en el espacio, según habían demostrado el líder del grupo de Janelia, Vivek Jayaraman, y su laboratorio en investigaciones anteriores. Cuando una mosca mira en una dirección particular, hay un golpe deactividad en las neuronas en algún lugar alrededor del anillo. Cuando la mosca gira, la protuberancia se mueve para reflejar la nueva orientación de la mosca, como la aguja de una brújula girando para apuntar constantemente hacia el norte.
Estas neuronas de la brújula responden al giro de la mosca incluso en la oscuridad total, pero agregar señales visuales les da a las moscas un sentido de dirección aún mejor, dice Jayaraman. "La pregunta es, ¿cómo mantiene la brújula las dos fuentes de información, los giros?y señales visuales, ¿sincronizadas? "
Una explicación propuesta es que cada neurona visual toca cada neurona de la brújula en el anillo. Algunas conexiones son más fuertes que otras; su fuerza relativa construye un mapa en el cerebro de la mosca. Ver repetidamente un punto de referencia en una orientación particular fortalecerá algunos vínculos entrelas neuronas de la brújula y las neuronas visuales que proporcionan información sobre el mundo.
En esta explicación, las conexiones son maleables: pueden cambiar de fuerza con el tiempo en respuesta a un cambio de escenario. Si un hito clave aparece en una posición diferente, por ejemplo, algunas conexiones se debilitarán y otras se fortalecerán en consecuencia,Actualizar el mapa mental de la mosca. Es una idea complicada de probar en animales salvajes. Pero con moscas en el laboratorio, los científicos ahora pueden hacerlo.
Fisher y sus colegas en el laboratorio de la investigadora del HHMI Rachel Wilson en Harvard colocaron moscas en un campo de realidad virtual y registraron su actividad cerebral mientras deambulaban. En la oscuridad, las moscas finalmente perdieron su sentido de la dirección; el "golpe" de la brújula no lo hizo.T coincidir con la dirección en la que apuntaba la mosca. Pero hacer brillar una sola luz brillante en la pared de la arena como un poste indicador permitió que la brújula mantuviera su precisión.
Luego, Fisher y sus colegas agregaron una segunda luz, directamente a través de la arena desde la primera. En este nuevo entorno visual, algunas neuronas se volvieron más parlantes, mientras que otras se volvieron más silenciosas. Después de unos minutos, quitaron la segunda señal visual, regresandola mosca a la escena original. El cerebro había reinterpretado ese entorno original, descubrieron: la brújula ahora apuntaba en una dirección diferente. Y las neuronas que eran particularmente comunicativas en el entorno alterado habían cambiado las conexiones que habían hecho conneuronas, una señal de que la mosca podría actualizar su mapa con el tiempo.
mapas regrabables
Mientras tanto, Jayaraman, Kim y sus colegas de Janelia también vieron signos de mapeo flexible de escenas visuales más complejas. Colocaron moscas en un escenario de realidad virtual diferente, atando a los insectos en su lugar en la cámara del tamaño de una toronja pero dándolesla ilusión de volar. Con el tiempo, las moscas vincularon la posición de las características visuales clave en la escena con ciertas neuronas de la brújula, mostró el equipo. Al ver esas señales visuales, se activaron las neuronas de la brújula y se le dijo a la mosca en qué dirección se dirigía.
"La relación se fortalece a medida que la mosca repite esta experiencia, fortaleciendo las conexiones entre las neuronas con el tiempo", dice Kim, quien realizó esta investigación como asociada en Janelia. Y lo que es más importante, las moscas podrían hacer esto de nuevo en un entorno visual diferente.
"Una de las cosas hermosas de este circuito es que nos ha permitido probar rigurosamente modelos que se teorizaron hace veinte o treinta años", dice Ann Hermundstad, una de las neurocientíficas teóricas de Janelia que colaboró con Kim y Jayaraman ".Ahora podemos hacer predicciones sobre cuán flexible debería ser la brújula para manejar rápidamente nuevas configuraciones y podemos probar estas predicciones con nuevos experimentos ".
Por ejemplo, Kim demostró que las moscas no siempre necesitaban girar en un círculo completo para hacer un mapa. Solo girar una parte de la escena era suficiente. Además, podía girar la brújula interna de la mosca usando una técnica llamadaoptogenética para manipular neuronas individuales. Ahora, las neuronas que una vez hicieron que la mosca pensara que se estaba girando hacia la derecha, movieron la brújula hacia la izquierda. Con el tiempo, una mosca podría hacer un nuevo mapa del campo de realidad virtual, solo al revés.
La navegación implica un tipo de aprendizaje que no se ha estudiado ampliamente a nivel de circuito, dice Wilson de Harvard. Es diferente de enseñar a los animales que el sonido de una campana, por ejemplo, trae algún tipo de recompensa. En cambio, la mosca exploraun entorno y aprende por sí solo a medida que avanza.
Los científicos han relacionado este tipo de aprendizaje con ciertas regiones del cerebro en los mamíferos, dice Wilson, pero ha sido difícil estudiar exactamente cómo funciona en los complicados cerebros de los mamíferos. "Esta es una ilustración realmente concreta de cómo las células cerebrales pueden aprender cosas de losde abajo hacia arriba, sin maestro. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Médico Howard Hughes . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
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