Festejo o comida: un estudio encuentra un circuito que ayuda al cerebro a decidir
Mantener un registro constante de la actividad neuronal, como lo indican los destellos de luz activados por calcio, el laboratorio Flavell inventó un microscopio que rastrea a los gusanos mientras se mueven. Para discernir un nuevo circuito, rastrearon los patrones de actividad de unas 10 neuronas clave. Crédito: Flavell Lab/MIT PIcower Institute
Los neurocientíficos del MIT han descubierto la elegante arquitectura de un circuito cerebral de toma de decisiones fundamental que permite que un gusano C. elegans busque comida o se detenga para darse un festín cuando encuentra una fuente. Capaz de integrar múltiples flujos de información sensorial, el circuito emplea solo unas pocas neuronas clave para mantener comportamientos duraderos y, sin embargo, cambiar de manera flexible entre ellos según lo justifiquen las condiciones ambientales.
«Para un gusano en busca de alimento, la decisión de vagar o morar es una que tendrá un fuerte impacto en su supervivencia». dijo el autor principal del estudio, Steven Flavell, profesor asociado de desarrollo profesional de Lister Brothers en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria y el Departamento de Ciencias Cognitivas y Cerebrales del MIT. «Pensamos que estudiar cómo el cerebro controla este proceso crucial de toma de decisiones podría descubrir elementos de circuitos fundamentales que pueden implementarse en los cerebros de muchos animales».
Este enfoque de estudiar invertebrados simples para obtener información básica sobre cómo las funciones cerebrales tiene una larga tradición en la neurociencia, dijo Flavell. Por ejemplo, los estudios sobre cómo un nervio de calamar propaga los impulsos eléctricos condujo a la idea clave que explica cómo las células cerebrales se activan en prácticamente todos los animales.
Aunque el componente crítico del circuito cerebral identificado por Flavell y sus colegas puede parecer simple ahora que ha sido revelado, encontrarlo fue cualquier cosa menos fácil. El autor principal, Ni Ji, un postdoctorado en el laboratorio de Flavell, utilizó varias tecnologías avanzadas, incluida una de las invenciones propias del laboratorio, para resolverlo. Los resultados de su trabajo y el de sus coautores aparecen en la revista eLife.
Rastreando el pensamiento
C. elegans es un modelo popular en neurociencia porque solo tiene 302 neuronas y el «diagrama de cableado» o conectoma se ha mapeado completamente. Pero aun así, la interconexión muy densa y superpuesta entre esas neuronas, además de su capacidad para enviarse señales entre sí a través de sustancias químicas llamadas neuromoduladores, significa que uno difícilmente puede simplemente mirar el conectoma y discernir cómo cambia entre diferentes estados de comportamiento.
Para identificar los circuitos funcionales en medio de esta red de conexiones, el laboratorio de Flavell desarrolló un nuevo microscopio capaz de seguir a los gusanos a medida que se mueven, y así obtener imágenes constantes de la actividad de las neuronas en el cerebro del gusano, como lo indican los destellos de calcio activados por luz. Ji usó el osciloscopio para centrarse en 10 neuronas interconectadas involucradas en la búsqueda de alimento, rastreando sus patrones de actividad neuronal asociados con comportamientos de roaming o vivienda.
Ji y los coautores entrenaron un software que aprendió los patrones tan bien que solo basó en función de la actividad neuronal, podría predecir el comportamiento del gusano con una precisión del 95 por ciento. El análisis reveló un cuarteto de neuronas cuya actividad se asoció específicamente con la itinerancia. Otro patrón clave fue que la transición de deambular a detenerse para detenerse siempre siguió a la activación de una neurona llamada NSM. El laboratorio de Flavell mostró previamente que NSM puede detectar la presencia de alimentos recién ingeridos y emitir un neuromodulador llamado serotonina para indicar a otras neuronas que disminuyan la velocidad del gusano para habitar en un área nutritiva.
Cuando AIA detecta el olor de un alimento, lo alimenta. información en un bucle de inhibición mutua entre NSM y las neuronas que expresan MOD-1 y PDF. Si el gusano está comiendo, NSM prevalece e impone un estado de residencia. Si el gusano no lo es, deambula para encontrar la fuente del olor de la comida. Crédito: Flavell Lab/MIT PIcower Institute
Antagonismo mutuo
Habiendo identificado los patrones de actividad que cambiaban cuando el gusano cambiaba de estado, Ji comenzó a manipular las neuronas en el circuito para comprender cómo interactúan. Para confirmar el papel de NSM como desencadenante del estado de residencia, Ji lo diseñó para que se activara artificialmente con un destello de luz (una técnica llamada optogenética). Cuando encendió la luz, hizo que el gusano se detuviera al inhibir la actividad de las neuronas asociadas a la itinerancia. Otros experimentos demostraron que este poder inhibidor dependía de que las neuronas itinerantes tuvieran un receptor de serotonina inhibidor, llamado MOD-1. Si Ji eliminó genéticamente el receptor MOD-1, NSM no pudo inhibir el comportamiento de roaming y rápidamente dejó de intentarlo por falta de retroalimentación.
Del mismo modo, Ji demostró que cuando el gusano estaba deambulando, era porque el El cuarteto itinerante estaba usando el neuromodulador PDF para inhibir la actividad de NSM. La activación optogenética de las neuronas que expresan PDF redujo la actividad de NSM, por ejemplo.
En un gusano normal, si el cuarteto itinerante estaba activo, NSM no lo estaba y viceversa. Pero cuando Ji eliminó genéticamente los elementos del circuito que subyacen a esta inhibición mutua, tanto el cuarteto de roaming como el NSM podrían estar activos al mismo tiempo, dejando al gusano en un estado extraño de deambular a aproximadamente la mitad de la velocidad de roaming.
Insumos sensoriales
Entonces, a través de una batalla en curso de inhibición mutua, el cuarteto sostiene el roaming y NSM sostiene la vivienda, pero eso aún planteaba la pregunta: ¿Cómo decide el gusano accionar el interruptor? Para averiguarlo, Ji y sus colegas programaron un algoritmo de aprendizaje automático para discernir qué neuronas podrían funcionar aguas arriba en el circuito más amplio para influir en el tira y afloja de la serotonina y el PDF. Este enfoque identificó una neurona llamada AIA, que es conocida por integrar información sensorial sobre los olores de los alimentos. La actividad de AIA covariaba con un par de neuronas itinerantes durante la itinerancia, y con NSM cuando comenzaba la permanencia.
En otras palabras, al ser activada por el olor de la comida, AIA podría usar su entrada para impulsar lado del circuito inhibidor mutuo para cambiar el comportamiento. Recordando que NSM puede sentir cuando el gusano realmente está comiendo, Ji y Flavell pudieron deducir lo que deben estar haciendo AIA y NSM. Si el gusano huele comida pero no está comiendo, necesita deambular más hacia ese olor a comida hasta que lo haga. Si el gusano huele la comida y al mismo tiempo comienza a comer, entonces debería continuar viviendo allí.
«Para un gusano que busca comida, los olores de la comida son una señal sensorial importante, pero ambigua. La capacidad de AIA para detectar los olores de los alimentos y transmitir esa información a estos diferentes circuitos descendentes, dependiendo de otras señales entrantes, permite a los animales contextualizar el olor y tomar decisiones de alimentación adaptativas», dijo Flavell. «Si está buscando elementos de circuito que también podrían estar operando en cerebros más grandes, este se destaca como un motivo básico que podría permitir comportamientos dependientes del contexto».
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Los científicos usan el aprendizaje automático para predecir olores en función de la actividad cerebral en gusanos Más información: Ni Ji et al, Un circuito neuronal para el control flexible de estados conductuales persistentes, eLife ( 2021). DOI: 10.7554/eLife.62889 Información de la revista: eLife
Proporcionado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts Cita: Festín o forraje: un estudio encuentra un circuito que ayuda al cerebro a decidir ( 2021, 22 de noviembre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-11-feast-forage-circuit-brain.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.