Un circuito neuronal que ayuda a las moscas a mantener su rumbo

norteNavegar por un entorno es una habilidad clave para muchos organismos. Durante años, los científicos se han preguntado cómo el cerebro combina las señales ambientales, las compara con el destino deseado por un animal y guía al organismo para navegar con éxito. Pero explorar estas preguntas en el complejo cerebro de los mamíferos ha resultado un desafío.

En dos estudios publicados en NaturalezaInvestigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad Rockefeller examinaron los diminutos cerebros de las moscas de la fruta para descubrir el circuito neuronal que realiza esos cálculos. Ambos equipos de investigación describieron cómo las neuronas llamadas PFL3 integran la información de la ubicación actual del insecto con información sobre su destino objetivo. Mientras que los científicos de la Universidad de Harvard informaron cómo otra población de células cerebrales, neuronas anti-objetivoayuda a la mosca a corregir su camino cuando se aleja mucho de su objetivo, el equipo de la Universidad Rockefeller describió un conjunto de neuronas que codifica información sobre la objetivo del insecto.^1,2 Al combinar enfoques experimentales y de modelado, estos estudios revelan un circuito neuronal detallado que es esencial para Drosophila melanogasterLa navegación y el conocimiento proporcionan conocimientos sobre principios fundamentales que pueden guiar la navegación en cerebros más complejos.

“Estos comportamientos que están observando, la orientación dirigida a un objetivo, son universales en los animales que navegan”, dijo Daniel Turner-Evansneurocientífico de la Universidad de California en Santa Cruz, que no participó en los estudios. “Es hermoso ver cómo se desarrollan estos comportamientos en las diferentes capas y neuronas del cerebro, y cómo se pueden crear estos modelos conceptuales y cuantitativos realmente buenos que realmente coinciden con la anatomía y la biología”.

En los insectos, el complejo central, un conglomerado de estructuras cerebrales altamente conservadas, es clave para integrar una variedad de entradas sensoriales y guiar la locomoción durante la navegación. Si bien algunas neuronas dentro de este centro actúan como un brújula interna que representa la dirección del rumbo de la mosca en relación con un punto de referencia, otros pueden influir directamente en la trayectoria de un insecto. dirección del cuerpo.^3,4 Por reconstruyendo las conexiones neuronales En los cerebros de diferentes insectos, los científicos identificaron las líneas específicas de comunicación que se establecen entre diferentes tipos de células.^5,6 Por ejemplo, las neuronas de la brújula se comunican con Neuronas PFL3.⁷ Dos conjuntos de células PFL3 se ubican a cada lado del cerebro de la mosca, y las neuronas de cada hemisferio envían proyecciones al centro de dirección ubicado en el lado opuesto. Estos hallazgos previos sugirieron que las células PFL3 podrían permitir que un insecto compare directamente su dirección con su objetivo y ajuste su trayectoria para alinearlas.

En las últimas Naturaleza En sus artículos, los investigadores intentaron probar experimentalmente esta idea y, al mismo tiempo, investigar más de cerca este circuito de navegación. Ambos equipos registraron la actividad neuronal de moscas atadas mientras caminaban en una esfera flotante. “Básicamente, actúa como una cinta de correr. La mosca puede correr, pero como es una pelota, también puede girar”, explicó. Elena Westeindeun estudiante de posgrado en Raquel WilsonEl equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y coautor de uno de los estudios, en los que se colocaron las cintas de correr esféricas en un entorno de realidad virtual en el que se presentó a la mosca una barra brillante, un estímulo que se sabe que atrae al insecto. La mosca caminó en línea recta durante largos períodos de tiempo, lo que permitió a los investigadores inferir la dirección en la que se dirigía el insecto cada vez que cambiaban la posición de la señal visual.

En ambos estudios, los investigadores descubrieron que las neuronas PFL3 intervienen en la dirección del cuerpo de la mosca cuando se desvía de su ruta prevista. Cuando la mosca se desvía de su objetivo, por ejemplo, las células PFL3 situadas en el lado derecho del cerebro se activan para hacer que el insecto corrija su rumbo. Lo contrario ocurre con las neuronas PFL3 del lado izquierdo.

Dado que casi todas las señales que reciben las células PFL3 se comparten con otro grupo de neuronas llamadas PFL2, Westeinde y sus colegas investigaron el papel de estas células en la orientación de la mosca. Descubrieron que las neuronas PFL2 se activaban con fuerza cuando la mosca se orientaba en la dirección opuesta a su objetivo. Cuando el equipo estimuló estas células, el insecto aumentó su velocidad de giro. “Es como, ‘no, estás muy equivocado! Solo tienes que girar, solo volverás a acercarte'”, explicó Westeinde.

En la Universidad Rockefeller, Gaby MaimónEl equipo de decidió buscar en la parte anterior del PFL3 las células que codifican la información sobre el objetivo. Mientras la mosca caminaba en la cinta esférica, los investigadores rotaron la pelota unos grados y observaron cómo se activaban neuronas específicas. Descubrieron que un grupo de células llamado FC2 no cambiaba su actividad cuando la mosca giraba en una dirección diferente. Para confirmar que estas células codificaban una representación del objetivo del insecto, Peter Mussells Piresinvestigador postdoctoral en el laboratorio de Maimon, y sus colegas estimularon optogenéticamente las neuronas FC2. “[When] Peter estimuló estas neuronas FC2 que comunican objetivos, [he] “Podría hacer que las moscas caminaran en diferentes direcciones”, explicó Maimon.

Aunque el trabajo de Maimon demostró que las neuronas FC2 leen la ubicación del objetivo, Turner-Evans sigue sintiendo curiosidad por saber cómo el cerebro del insecto establece ese objetivo. Explorar esta cuestión es uno de los próximos pasos de Maimon. Turner-Evans también cree que explorar cómo estas señales de dirección alimentan la compleja red motora y luego se transforman en movimientos es otro próximo paso importante.

Aunque el cerebro de la mosca es mucho más simple que el cerebro humano, su extensa caracterización por parte de los investigadores a lo largo de los años lo ha convertido en un poderoso sistema para comprender cómo el cerebro procesa la información. “En la mosca, podemos descubrir este tipo de principios fundamentales que parecen ser universales en algún nivel”, dijo Turner-Evans. “No me sorprendería si algunas de las conclusiones de estos estudios, que analizan cómo se utilizan estas diferentes direcciones angulares y vectores para dirigir a un animal para navegar, resultaran ser ciertas”. [in] “mamíferos.”