Cómo calcula posición en el espacio el cerebro de la mosca.- Las neuronas en el cerebro de la mosca parecen realizar literalmente cálculos vectoriales para señalar la dirección en la que viajan sus cuerpos, independientemente de la dirección en la que apunten sus cabezas.
La navegación no siempre sale según lo planeado, una lección que las moscas aprenden de la manera más difícil, cuando un fuerte viento en contra las desvía hacia atrás desafiando sus alas que golpean hacia adelante. Los peces que nadan río arriba, los cangrejos que se escabullen de lado e incluso los humanos que cuelgan a la izquierda mientras miran a la derecha se enfrentan a desafíos similares.
Cómo el cerebro calcula la dirección de viaje de un animal cuando la cabeza apunta en una dirección y el cuerpo se mueve en otra es un misterio en la neurociencia.
Cómo calcula posición en el espacio el cerebro de la mosca
Un nuevo estudio avanza significativamente en la resolución de este misterio al informar que el cerebro de la mosca tiene un conjunto de neuronas que señalan la dirección en la que viaja el cuerpo, independientemente de la dirección en la que apunta la cabeza. Los hallazgos, publicados en Nature , también describen en detalle cómo el cerebro de la mosca calcula esta señal a partir de entradas sensoriales más básicas.
“Estas neuronas no solo señalan la dirección de viaje de la mosca, sino que también lo hacen en un marco de referencia centrado en el mundo”, dice la neurocientífica de Rockefeller Gaby Maimon. Lo notable, agrega el primer autor Cheng Lyu, estudiante de posgrado en el laboratorio de Maimon, es que estos insectos están transformando las entradas sensoriales con referencia al cuerpo en una señal con referencia al mundo, lo que permite que la mosca sepa que está viajando, por ejemplo, 90 grados. a la derecha del sol o hacia el norte.
Encontrar el lugar de uno
Incluso cuando cerramos los ojos, por lo general retenemos una buena idea de dónde estamos en una habitación y en qué dirección estamos mirando. Eso es porque, incluso en la oscuridad, nuestros cerebros construyen una comprensión interna de dónde estamos en el espacio. En la década de 1980, los científicos descubrieron que un grupo de células llamadas células de dirección de la cabeza juegan un papel clave para permitirnos conocer nuestra orientación angular y luego se descubrió que las moscas tienen células con una función similar. La actividad de las células indica el ángulo en el que apunta la cabeza, similar a cómo la aguja de una brújula indica la orientación de uno en un entorno.
Todo está bien mientras caminemos, o las moscas vuelen, en la misma dirección en la que mira la cabeza. Las celdas de dirección de la cabeza se pueden usar para actualizar el sentido interno de hacia dónde se dirige uno. Pero si caminamos hacia el norte mirando hacia el este, o si una mosca intenta zumbar hacia adelante mientras el viento la empuja hacia atrás, las celdas de dirección de la cabeza apuntan en la dirección equivocada. Sin embargo, el sistema sigue funcionando. Las moscas son relativamente imperturbables por las indignidades de las corrientes de viento, y los humanos no se pierden cuando giran para contemplar el paisaje. Lyu y Maimon se preguntaron cómo saben las moscas adónde van, incluso cuando las células de dirección de su cabeza aparentemente transmiten información inexacta.
Para responder a esta pregunta, Lyu pegó moscas de la fruta a arneses en miniatura que sujetan solo las cabezas de los insectos, lo que le permitió registrar la actividad cerebral mientras dejaba a las moscas libres para batir sus alas y dirigir sus cuerpos a través de un entorno virtual. La configuración contenía varias señales visuales, incluida una luz brillante que representaba el sol y un campo de puntos más tenues que se podían ajustar para hacer que la mosca se sintiera como si estuviera siendo impulsada hacia atrás o hacia los lados.
Como era de esperar, las celdas de dirección de la cabeza indicaron consistentemente la orientación de la mosca hacia el sol, simulada por la luz brillante, independientemente del movimiento de los puntos más tenues. Además, los investigadores identificaron un nuevo conjunto de células que indicaban en qué dirección viajaban las moscas, y no solo la dirección en la que apuntaba su cabeza. Por ejemplo, si las moscas estaban orientadas directamente hacia el sol en el este mientras eran impulsadas hacia atrás, estas celdas indicaban que las moscas viajaban (prácticamente) hacia el oeste. “Este es el primer conjunto de células que se sabe que indican en qué dirección se mueve un animal en un marco de referencia centrado en el mundo”, dice Maimon.
Cálculo mental
Pero el equipo también se preguntó cómo los cerebros de las moscas calculan la dirección de viaje del animal a nivel celular. En colaboración con Larry Abbott, un teórico del Instituto Zuckerman de la Universidad de Columbia, Lyu y Maimon pudieron demostrar que el cerebro de la mosca se involucra en una especie de ejercicio matemático.
Un estudiante de física que traza la trayectoria de un objeto dividirá la trayectoria en componentes de movimiento, trazados a lo largo de los ejes x e y. De manera similar, en el cerebro de la mosca, cuatro clases de neuronas que son sensibles al movimiento visual indican la dirección de viaje de la mosca como componentes a lo largo de cuatro ejes.
Se puede considerar que cada clase neuronal representa un vector matemático. El ángulo del vector apunta en la dirección de su eje asociado. La longitud del vector indica qué tan rápido se mueve la mosca en esa dirección. “Sorprendentemente, un circuito neural en el cerebro de la mosca gira estos cuatro vectores para que estén alineados correctamente con el ángulo del sol y luego los suma”, dice Maimon. “El resultado es un vector de salida que apunta en la dirección en la que viaja la mosca, con referencia al sol”.
La matemática vectorial es más que una simple analogía para el cálculo que se lleva a cabo. Más bien, el cerebro de la mosca parece estar literalmente realizando operaciones vectoriales. En este circuito, las poblaciones de neuronas representan explícitamente vectores como ondas de actividad, donde la posición de la onda representa el ángulo del vector y la altura de la onda representa su longitud. Los investigadores incluso probaron esta idea manipulando con precisión la longitud de los cuatro vectores de entrada y mostrando que el vector de salida cambia tal como lo haría si las moscas estuvieran literalmente sumando vectores.
“Argumentamos con fuerza que lo que está sucediendo aquí es una implementación explícita de matemáticas vectoriales en un cerebro”. dice Maimón. “Lo que hace que este estudio sea único es que mostramos, con amplia evidencia, cómo los circuitos neuronales implementan operaciones matemáticas relativamente sofisticadas”.
Comprender la cognición espacial
La presente investigación aclara cómo las moscas descubren en qué dirección van, en el momento. Los estudios futuros examinarán cómo estos insectos realizan un seguimiento de la dirección de su viaje a lo largo del tiempo para saber dónde terminaron finalmente. “Una pregunta central es cómo el cerebro integra señales relacionadas con la dirección de viaje del animal y la velocidad a lo largo del tiempo para formar recuerdos”, dice Lyu. “Los investigadores pueden usar nuestros hallazgos como una plataforma para estudiar cómo se ve la memoria de trabajo en el cerebro”.
Los hallazgos también podrían tener implicaciones para las enfermedades humanas. Debido a que la confusión espacial suele ser un signo temprano de la enfermedad de Alzheimer, muchos neurocientíficos están interesados en comprender cómo los cerebros construyen un sentido interno del espacio. “El hecho de que los insectos, con sus diminutos cerebros, tengan un conocimiento explícito de la dirección de su viaje debería obligar a los investigadores a buscar señales similares y operaciones cuantitativas análogas en los cerebros de los mamíferos”, dice Maimon.
“Tal descubrimiento podría informar aspectos de la disfunción subyacente a la enfermedad de Alzheimer, así como otros trastornos neurológicos que afectan la cognición espacial”.
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