Los fósiles exquisitamente conservados que dejaron criaturas que vivieron hace más de 500 millones de años revelan con gran detalle estructuras idénticas que los investigadores han planteado durante mucho tiempo que deben haber contribuido al cerebro arquetípico heredado por todos los artrópodos. Los artrópodos son las especies más diversas y-grupo taxonómico rico de animales e incluye insectos, crustáceos, arañas y escorpiones, así como otros linajes menos familiares como milpiés y ciempiés.
Los fósiles, pertenecientes a un artrópodo conocido como Leanchoilia , confirman la presencia, predicha por estudios anteriores en genética y biología del desarrollo de embriones de insectos y arañas, de un dominio frontal extremo del cerebro que no está segmentado y es invisible en los artrópodos adultos modernos. A pesar de ser invisible, este frontalEste dominio da lugar a varios centros neuronales cruciales en el cerebro de los artrópodos adultos, incluidas las células madre que eventualmente proporcionan centros involucrados en la toma de decisiones y la memoria. Se planteó la hipótesis de que este dominio frontal era distinto del prosencéfalo, el mesencéfalo y el rombencéfalo que se observan en los artrópodos vivos, yse le dio el nombre de prosocerebrum, con "proso" que significa "frente".
Descrito en un artículo publicado hoy en la revista Biología actual , los fósiles proporcionan la primera evidencia de la existencia de esta región discreta del cerebro prosocerebral, que tiene un legado que se manifiesta durante el desarrollo embrionario de los artrópodos modernos, según el autor principal del artículo, Nicholas Strausfeld, profesor de Neurociencia de la Universidad de Regents.de Arizona.
"Los fósiles extraordinarios que describimos no se parecen a nada que se haya visto antes", dijo Strausfeld. "Dos sistemas nerviosos, que ya son únicos porque se conservan de manera idéntica, muestran que hace 500 millones de años esta región cerebral más anterior estaba presente y estructuralmentedistinto antes de la aparición evolutiva de los tres ganglios segmentarios que denotan el cerebro anterior, medio y posterior ".
El término ganglio se refiere a un sistema de redes que forman un centro nervioso que se encuentra en cada segmento del sistema nervioso de un artrópodo. En los artrópodos vivos, los tres ganglios que marcan el cerebro de tres partes se condensan para formar una masa sólida,oscureciendo su origen evolutivo como estructuras segmentadas.
Los fósiles de tejido cerebral son extremadamente raros
Descubierto en depósitos de la formación Kaili - una formación geológica en la provincia de Guizhou en el suroeste de China - los restos fosilizados de Leanchoilia se remontan al período Cámbrico, hace unos 508 millones de años. Los fósiles de Kaili se encuentran en rocas sedimentarias que tienen altas concentraciones de hierro, cuya presencia probablemente ayudó a preservar los tejidos blandos, que posteriormente fueron reemplazados por depósitos de carbono.
"Los fósiles de Kaili abren una ventana para que podamos vislumbrar la evolución del plan corporal de los animales que vivieron hace más de 500 millones de años", dijo el primer autor del artículo, Tian Lan, del Centro de Investigación de Paleobiología de Guizhou en la Universidad de Guizhou en China."Por primera vez, ahora sabemos que los fósiles de artrópodos de la formación Kaili tienen el potencial de preservar el tejido neural que nos muestra el cerebro primitivo del artrópodo de tallo temprano que existe en los albores del mundo animal".
"Los sistemas nerviosos, como otros tejidos blandos, son difíciles de fosilizar", agregó el coautor Pedro Martínez de la Universitat de Barcelona y el Institut Catalá en Barcelona, España. "Esto hace que el estudio de la evolución temprana de los sistemas neuronales sea un desafíotarea."
Los fósiles también arrojan nueva luz sobre el origen evolutivo de dos sistemas visuales separados en la evolución de los artrópodos: pares de ojos que miran hacia el frente u ojos que miran hacia los lados, cuyos descendientes todavía están presentes en las especies que viven en la actualidad.
Muchos artrópodos, incluidos insectos y crustáceos, tienen un par bilateral distintivo de ojos compuestos facetados y otro par de ojos menos obvios, con una arquitectura más primitiva, conocidos como ojos de nauplio u ocelos. Estos son estructuralmente similares a los ojos principalesde arañas y escorpiones. Estos ojos más simples corresponden a los ojos delanteros del prosocerebrum en Leanchoilia , en línea con la evidencia obtenida por estudios previos que analizan los patrones de expresión génica durante el desarrollo embrionario de artrópodos vivos.
LeanchoiliaLos ojos laterales de , por otro lado, se relacionan con el protocerebrum, que es el ganglio segmentario que define el prosencéfalo del artrópodo, que se encuentra justo detrás del prosocerebrum. En los artrópodos vivos, el protocerebrum proporciona los ojos compuestos de insectos y crustáceos, o elojos laterales de un solo cristalino de arácnidos, ciempiés y milpiés. Los centros visuales que sirven a esos ojos también pertenecen a la región protocerebral del cerebro.
Strausfeld explicó que en los artrópodos vivos, el protocerebrum, o prosencéfalo, ha incorporado, en cierto modo, absorbido, los centros antiguos proporcionados por el prosocerebrum, de modo que ya no es discernible como una entidad anatómica distinta.
Los fósiles están tan bien conservados que demuestran que, además de los ojos frontales, el prosocerebrum también ha dado lugar a ganglios asociados con el labrum, o "labio superior", de los artrópodos modernos. Los fósiles también confirman una hipótesis anterior que sugiereque el labrum debe haber evolucionado originalmente a partir de los apéndices de agarre de Radiodonta , un grupo de artrópodos de tallo que fueron los principales depredadores durante el período Cámbrico.
"En comparación con otro material fósil similar que pertenece a linajes más avanzados, la organización de Leanchoilia el cerebro demuestra que la disposición ganglionar del cerebro temprano experimentó la condensación y fusión de sus componentes, lo que explica por qué en las especies vivas el prosocerebrum no se puede distinguir individualmente ", dijo Strausfeld.
Implicaciones para la evolución del cerebro en vertebrados
Además de cerrar una brecha centenaria en la comprensión de la evolución del cerebro de los artrópodos, los hallazgos tienen implicaciones importantes para la evolución temprana de los cerebros de los vertebrados, dijo Strausfeld.
Aunque existieron animales simples parecidos a peces al mismo tiempo que estos artrópodos ahora fosilizados, no hay fósiles convincentes de sus cerebros y, por lo tanto, no hay evidencia fósil ni evidencia anatómica de un prosocerebrum en vertebrados. Sin embargo, los estudios modernos muestran que los genesque definen los cerebros anterior y posterior de, por ejemplo, ratones, corresponden a genes que definen las tres divisiones ganglionares del cerebro de los artrópodos. Y en los vertebrados, ciertos centros cruciales involucrados en la toma de decisiones y en el aprendizaje y la memoria tienen algunas correspondencias genéticas con loscentros en el cerebro del artrópodo, que se originó en el antiguo artrópodo prosocerebrum.
Por lo tanto, es plausible que incluso antes del período Cámbrico, posiblemente incluso antes de la evolución de los planes corporales organizados por segmentos, el ancestro común de vertebrados e invertebrados poseyera circuitos básicos para la cognición simple y la toma de decisiones. Y aunque un antiguo prosocerebral-como el cerebro podría haber estado presente en los primeros ancestros de los vertebrados, ningún fósil de este tipo ha sugerido evidencia de un dominio discreto y no segmentario.
"Sin embargo, uno puede especular razonablemente que los vertebrados han incrustado en sus cerebros 'modernos' partes de un cerebro antiguo no segmentado que hasta ahora solo ha sido demostrable en un artrópodo temprano, como Leanchoilia , "dijo Strausfeld.
Los coautores adicionales del estudio son Yuanlong Zhao del Centro de Investigación de Paleobiología de Guizhou en la Universidad de Guizhou en Guiyang, China; Fangchen Zhao del Laboratorio Estatal Clave de Paleobiología y Estratigrafía de la Academia de Ciencias de China en Nanjing, China; yTú, él de la instalación de radiación sincrotrón de Shanghai.
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