La capacidad única de las sepias, los calamares y los pulpos para esconderse imitando los colores y la textura de su entorno ha fascinado a los científicos naturales desde la época de Aristóteles. De forma exclusiva entre todos los animales, estos moluscos controlan su apariencia mediante la acción directa de las neuronas en las células expandiblespíxeles, numerados en millones, ubicados en su piel Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro y el Instituto de Frankfurt de Estudios Avanzados / Universidad de Goethe utilizaron esta correspondencia neurona-píxel para examinar el cerebro de la sepia, inferiendo la estructura de control putativaredes a través del análisis de la dinámica del patrón de la piel.
La sepia, el calamar y el pulpo son un grupo de moluscos marinos llamados cefalópodos coleoides que alguna vez incluyeron amonitas, hoy solo conocidos como fósiles espirales de la era del Cretáceo. Los cefalópodos coleoides modernos perdieron sus conchas externas hace unos 150 millones de años y tomaron una actividad cada vez más activa.estilo de vida depredador. Este desarrollo fue acompañado por un aumento masivo en el tamaño de sus cerebros: la sepia y el pulpo modernos tienen los cerebros más grandes en relación con el tamaño del cuerpo entre los invertebrados con un tamaño comparable al de los reptiles y algunos mamíferos. Utilizan estos grandescerebros para realizar una variedad de comportamientos inteligentes, incluida la capacidad singular de cambiar su patrón de piel para camuflarse u ocultarse en su entorno.
Los cefalópodos controlan el camuflaje mediante la acción directa de su cerebro sobre células de la piel especializadas llamadas cromatóforos, que actúan como "píxeles" de color biológico en una pantalla de piel suave. Las jibias poseen hasta millones de cromatóforos, cada uno de los cuales puede expandirse y contraerse paraproducen cambios locales en el contraste de la piel. Al controlar estos cromatóforos, las sepias pueden transformar su apariencia en una fracción de segundo. Utilizan el camuflaje para cazar, evitar a los depredadores, pero también para comunicarse.
Para camuflar, las sepias no coinciden píxel a píxel con su entorno local. En cambio, parecen extraer, a través de la visión, una aproximación estadística de su entorno, y utilizan estas heurísticas para seleccionar un camuflaje adaptativo de un presunto repertorio grande pero finito.de patrones probables, seleccionados por evolución. Las soluciones biológicas a este problema de coincidencia estadística son desconocidas. Pero como la sepia puede resolverlo tan pronto como salen del huevo, sus soluciones son probablemente innatas, incrustadas en el cerebro de la sepia y relativamente simples.Un equipo de científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro y del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt FIAS / Universidad de Goethe, dirigido por el Director del MPI, Gilles Laurent, desarrolló técnicas que comienzan a revelar esas soluciones.
Los cromatóforos de la sepia son células especializadas que contienen un saco elástico de gránulos de pigmento de color. Cada cromatóforo se une a diminutos músculos radiales, controlados por un pequeño número de neuronas motoras en el cerebro. Cuando estas neuronas motoras se activan, hacen que los músculos se contraigan, expandiendo el cromatóforo y mostrando el pigmento. Cuando cesa la actividad neuronal, los músculos se relajan, el saco de pigmento elástico se contrae y se revela la piel reflectante subyacente. Debido a que los cromatóforos individuales reciben información de pequeñas cantidades de neuronas motoras, el estado de expansión de unEl cromatóforo podría proporcionar una medición indirecta de la actividad de la neurona motora.
"Nos propusimos medir la salida del cerebro de manera simple e indirecta al obtener imágenes de los píxeles en la piel del animal", dice Laurent. De hecho, monitorear el comportamiento de las jibias con resolución cromatóforo brindó una oportunidad única para 'representar' indirectamente poblaciones muy grandes de neuronasen animales que se comportan libremente. Postdoc Sam Reiter del Laboratorio Laurent, el primer autor de este estudio, y sus coautores dedujeron la actividad de la neurona motora al analizar los detalles de las co-fluctuaciones cromatóforas. A su vez, al analizar las co-variaciones de estos motores inferidosneuronas, podrían predecir la estructura de niveles aún más altos de control, 'formando imágenes' cada vez más profundamente en el cerebro de la sepia a través de un análisis estadístico detallado de su producción de cromatóforo.
Llegar allí llevó muchos años de arduo trabajo, algunas buenas ideas y algunos golpes de suerte. Un requisito clave para el éxito fue lograr rastrear decenas de miles de cromatóforos individuales en paralelo a 60 imágenes de alta resolución por segundo y rastrear cadacromatóforo de una imagen a la siguiente, de un patrón a otro, de una semana a la siguiente, a medida que el animal respiraba, se movía, cambiaba de apariencia y crecía, insertando constantemente nuevos cromatóforos. Una idea clave era "darse cuenta de que la disposición física delos cromatóforos en la piel son lo suficientemente irregulares como para ser localmente únicos, lo que proporciona huellas digitales locales para la costura de imágenes ", dice Matthias Kaschube de FIAS / GU. Mediante la comparación de imágenes iterativa y por partes, fue posible deformar imágenes de manera que todos los cromatóforos se alinearan correctamentey rastreable, incluso cuando sus tamaños individuales diferían, como ocurre cuando cambian los patrones de la piel, e incluso cuando aparecieron nuevos cromatóforos, como sucede de un día alluego a medida que el animal crece.
Con ideas como esta, y con la ayuda de múltiples supercomputadoras, el equipo de Laurent logró cumplir su objetivo y con esto, comenzó a mirar hacia el cerebro del animal y su sistema de control de camuflaje. En el camino, también hicieron observaciones inesperadas.Por ejemplo, cuando un animal cambia de apariencia, cambia de una manera muy específica a través de una secuencia de patrones intermedios determinados con precisión. Esta observación es importante porque sugiere restricciones internas en la generación de patrones, revelando así aspectos ocultos de los circuitos de control neural. Tambiéndescubrieron que los cromatóforos cambian sistemáticamente de color con el tiempo, y que el tiempo necesario para este cambio se corresponde con la tasa de producción de nuevos cromatóforos a medida que el animal crece, de modo que la fracción relativa de cada color permanece constante. Finalmente, al observar este desarrollo,reglas mínimas derivadas que pueden explicar la morfogénesis de la piel en esta y posiblemente en todas las demás especies de cefalópodos coleoides.
"Este estudio abre una amplia gama de nuevas preguntas y oportunidades", dice Laurent. "Algunas de estas se refieren a la percepción de la textura y son relevantes para el creciente campo de la neurociencia cognitiva computacional; otras ayudan a definir el vínculo preciso entre la actividad cerebral y el comportamiento, un campo llamado neuroethology; otros aún ayudan a identificar las reglas de desarrollo celular involucradas en la morfogénesis de los tejidos. Finalmente, este trabajo abre una ventana al cerebro de los animales cuyo linaje se separó del nuestro hace más de 540 millones de años. Los cerebros cefalópodos ofrecen una oportunidad única paraestudiar la evolución de otra forma de inteligencia, basada en una historia completamente independiente del linaje de vertebrados durante más de medio billón de años ".
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Materiales proporcionado por Max-Planck-Gesellschaft . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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