Incluso las criaturas más simples parecen extraordinariamente complejas cuando miras debajo de la superficie. Afortunadamente, Hydra facilita esa parte.
El ingeniero eléctrico e informático de Rice, Jacob Robinson, y el autor principal y alumna Krishna Badhiwala de la Escuela de Ingeniería Brown de la universidad, están aprovechando la transparencia del animal para hacer la parte difícil, manipulando a las criaturas pequeñas y notablemente resistentes en casi todas las formas posibles paraaprende cómo sienten el tacto.
Su análisis exhaustivo de la hidra en la revista de acceso abierto eLife, en colaboración con la bióloga Celina Juliano y la estudiante de posgrado Abby Primack de la Universidad de California, Davis, es un pequeño paso hacia la comprensión de las redes neuronales en todas las criaturas vivientes.
Hydra vulgaris, cnidarios de agua dulce que parecen pólipos de medusas en miniatura, se expanden y contraen a medida que navegan por sus entornos, pero también se les puede pedir que lo hagan dándoles un empujón. El laboratorio de Rice ha desarrollado equipos altamente especializados durante la última década parahacer eso, restringiendo temporalmente a los animales en el canal de un dispositivo de microfluidos para capturar imágenes y datos simultáneos que detallen sus respuestas musculares y neurales.
Allí, la hidra puede ser presionada físicamente con una cantidad controlada de fuerza para que se contraiga. Para el nuevo estudio, los investigadores modificaron genéticamente la hidra para expresar una proteína verde fluorescente cuando se activan las neuronas asociadas, y luego eliminaron conjuntos de esas neuronas- e incluso partes del cuerpo - para ver cómo responden las redes al pinchar a los animales.
Su objetivo era construir un modelo de cómo los estados internos y los estímulos externos dan forma al comportamiento de un organismo con una arquitectura neuronal altamente dinámica.
"Necesitamos establecer los fundamentos de cómo funcionan los animales como la hidra, en términos de su neurobiología, para que luego podamos comenzar a hacer comparaciones con animales realmente diversos", dijo Robinson, parte de la Iniciativa de Neuroingeniería de Rice.En cinco o diez años habrá muchas preguntas realmente interesantes que podemos responder ahora que hemos establecido algunos de los conceptos básicos ".
Las neuronas de la hidra se concentran en la región oral adyacente a los tentáculos y la región aboral alrededor del "pie", pero los investigadores identificaron dos tipos distintos de neuronas: "mecánicamente sensibles" y "estallido de contracción descubierto anteriormente"."neuronas, distribuidas por todos los cuerpos. Eso ayudó a explicar los diferentes patrones de activación que descubrieron, dependiendo de si la hidra se contrae espontáneamente o se activa mecánicamente.
Los investigadores también encontraron que las regiones oral y aboral desempeñan un papel en las contracciones espontáneas. La región oral, también conocida como hipostoma, es más significativa; debido a que parece coordinar la respuesta motora, descubrieron que la eliminación del hipostoma reducía de manera significativa larespuesta a la insinuación.
La región aboral, también conocida como pedúnculo, parece contener una alta concentración de neuronas motoras involucradas en la contracción, evidenciada por redes de calcio que se activan desde el pie hacia arriba cuando son activadas por el hipostoma o por la presión de una hidra "sin cabeza".
Lo más interesante fue la evidencia de que cuando a hydra se le quitó una red u otra o se cortaron literalmente por la mitad, las neuronas restantes tomaron el relevo para mantener al menos una función rudimentaria y / o regenerar las piezas perdidas.
"Cuando comenzamos a estudiar la hidra, queríamos comprender todo lo que pudiéramos sobre cómo funciona, sus puntos en común y sus diferencias en comparación con otros animales", dijo Robinson. "Una de las cosas que no sabíamos era latipos específicos de estructuras neuronales. Hydra en particular tiene una red nerviosa distribuida, y queríamos saber si regiones particulares del animal procesan la información de manera centralizada, o si todas las neuronas son iguales ".
Resultó que las redes oral y aboral son bastante distintas en la forma en que controlan diferentes aspectos de la hidra. "Pero parece que hay algo de redundancia y procesamiento de información sensorial, que también vemos en otros animales", dijo. "Esta ideade redundancia es realmente importante para la supervivencia de los animales, por lo que lo vemos aparecer muchas veces dondequiera que miremos ".
Si bien los sistemas nerviosos radiales en hidra son fundamentalmente diferentes de las redes en criaturas bilaterales como los mamíferos, existen similitudes en la forma en que todos estos sistemas comparten la carga de trabajo cuando deben hacerlo.
"Me gusta pensarlo de esta manera: veamos todas las cosas locas que pueden hacer los sistemas nerviosos que han evolucionado desde el mismo punto de partida", dijo Robinson. "Eso puede permitirnos identificar principios fundamentales que son más difíciles de encontraren roedores y seres humanos, donde pueden quedar ocultos por otras cosas que hemos desarrollado con el tiempo ".
Robinson dijo que los neurocientíficos que están mirando más allá de los organismos modelo pequeños tradicionales roedores, gusanos, pez cebra y moscas de la fruta estarán más interesados en los resultados de la hidra. "Hay un reconocimiento de que realmente necesitamos diversificar nuestras elecciones de los animales queestudiamos ", dijo.
También hay implicaciones para las iniciativas científicas más allá del reino animal. "Que este tipo particular de sistema nervioso pueda recuperarse por completo me hace pensar que hay principios que se relacionan con lo que hace que una red sea estable", dijo Robinson. "Estos podrían aplicarse aestabilizar las redes eléctricas o Internet, inspirado en la naturaleza. "
Robinson es profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y de bioingeniería en Rice. Juliano es profesor asistente de biología molecular y celular en UC Davis. La Fundación Nacional de Ciencias 1829158, 1250104, los Institutos Nacionales de Salud R21AG067034y el Centro Keck de los Consorcios de la Costa del Golfo apoyaron la investigación.
Video: http://www.youtube.com/watch?v=_H2IE2Ic4ug
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