Un nuevo modelo sobre la evolución de los cerebros de las abejas melíferas, podría servir para comprender la evolución en animales altamente evolucionados
Publicado por Universidad de Tokio el 5 de mayo 2023
Los investigadores han propuesto un nuevo modelo para explicar la evolución de las funciones cerebrales superiores y los comportamientos de los insectos, en el orden de los himenópteros. El equipo comparó las células de Kenyon, un tipo de neurona, en los cuerpos de hongos (una parte del cerebro del insecto involucrada en el aprendizaje, la memoria y la integración sensorial) de moscas sierra "primitivas" y sofisticadas abejas melíferas.
Encontraron que tres subtipos de células Kenyon diversas y especializadas en cerebros de abejas melíferas parecen haber evolucionado a partir de un único ancestro de subtipo de células Kenyon multifuncional. En el futuro, esta investigación podría ayudarnos a comprender mejor la evolución de algunas de nuestras propias funciones y comportamientos cerebrales superiores.
Puede que a veces hayamos oído expresiones como “estar ocupado como una abeja”, “ser una mariposa social" o una "mosca en la pared". Hay muchas maneras en que comparamos nuestro comportamiento con el de los insectos, y resulta que puede haber algo de realidad detrás de estas divertidas expresiones. Estudiar a los insectos podría ayudarnos a comprender no solo cómo ha evolucionado su comportamiento, sino también el comportamiento de animales altamente evolucionados, incluidos nosotros mismos.
Los cerebros de los mamíferos son grandes y complejos, por lo que es difícil identificar los comportamientos y cambios neuronales y genéticos que se han desarrollado simultáneamente a lo largo del tiempo. En comparación, los cerebros de los insectos son mucho más pequeños y simples, lo que los convierte en modelos útiles para el estudio.
"En 2017, ya informamos que la complejidad de los subtipos de células de Kenyon (KC) en cuerpos de hongos de cerebros de insectos aumenta con la diversificación del comportamiento en himenópteros (un orden grande y variado de insectos)", explicaba el profesor Takeo Kubo de la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de Tokio y coautor del estudio actual, publicado en Science Advances.
"En otras palabras, cuantos más subtipos de KC tiene un insecto, más complejo es su cerebro y los comportamientos que puede exhibir. Pero lo que no sabíamos es cómo evolucionaron estos diferentes subtipos. Esta fue la incógnita que sirvió de estímulo para este nuevo estudio".
El equipo, de la Universidad de Tokio y de la Organización Nacional de Investigación Agrícola y Alimentaria de Japón (NARO), eligió dos especies de himenópteros como representantes de diferentes comportamientos: la mosca-sierra solitaria del nabo (que tiene un solo subtipo de KC) y la sofisticada abeja melífera social (que tiene tres subtipos de KC).
Como la mosca de sierra tiene un cerebro más "primitivo", se cree que contiene algunas propiedades ancestrales del cerebro de la abeja melífera. Para descubrir las posibles vías evolutivas entre ellos, los investigadores utilizaron el análisis del transcriptoma para identificar los perfiles de expresión génica (la actividad genética) de los diversos subtipos KC y, a partir de ahí, especular respecto a sus funciones.
Esta imagen ilustra cómo los diversos y complejos subtipos de células Kenyon (KC) de la abeja melífera evolucionaron a partir del subtipo KC único, similar a un antepasado, representado por la mosca sierra del nabo. Crédito: Takayoshi Kuwabara
"Me sorprendió que cada uno de los tres subtipos de KC en la abeja melífera mostrara una similitud comparable con el tipo de KC único de la mosca sierra", dijo el profesor asistente Hiroki Kohno, de la Graduate School of Science, coautor del estudio. "Basándonos en nuestro análisis comparativo inicial de varios genes, habíamos supuesto previamente que se habían agregado subtipos adicionales de KC uno por uno. Sin embargo, parecen haberse generado a partir de un tipo ancestral multifuncional común, a través de la segregación funcional y la especialización".
A medida que aumentaba el número de subtipos de KC, cada subtipo heredaba casi por igual algunas propiedades distintas de un KC ancestral. Más adelante, estos se modificaron de diferentes maneras, lo que resultó en sus variadas funciones actuales.
Los investigadores querían un ejemplo conductual específico de cómo las funciones ancestrales de las KC están presentes, tanto en la mosca de sierra como en la abeja melífera. Entonces, entrenaron a las moscas de sierra para participar en una prueba común de comportamiento de las abejas melíferas, donde aprenden a asociar un estímulo de olor con una recompensa. Aunque desafiante al principio, el equipo finalmente pudo involucrar a las moscas de sierra en esta prueba de memoria.
A continuación, los investigadores manipularon un gen llamado CaMKII en larvas de mosca de sierra, que en las abejas melíferas está asociado con la formación de memoria a largo plazo, una función de las KC. Cuando las larvas se convirtieron en adultos, su memoria a largo plazo se vio afectada, lo que indica que el gen desempeña un papel similar tanto en las moscas de sierra como en las abejas. Aunque CaMKII se expresó (es decir, estaba activo) en todo el subtipo de KC único en las moscas de sierra, en abejas melíferas se expresó preferentemente en un solo subtipo de KC . Esto sugiere que el papel de CaMKII en la memoria a largo plazo se transmitió a este subtipo específico de KC en la abeja melífera.
A pesar de las diferencias en el tamaño y la complejidad de los cerebros de insectos y mamíferos, existen puntos en común en términos de función y de arquitectura básica del sistema nervioso. Es por eso por lo que el modelo propuesto en este estudio para la evolución y diversificación de los subtipos de KC puede ayudar a comprender mejor la evolución de nuestro propio comportamiento. El próximo reto para el equipo será estudiar los tipos de KC adquiridas en paralelo con los comportamientos sociales, como la "danza oscilante" de la abeja melífera.
"Nos gustaría aclarar si el modelo presentado aquí es aplicable a la evolución de otros comportamientos", dijo Takayoshi Kuwabara, estudiante de doctorado de la Escuela de Graduados de Ciencias y autor principal del estudio. "Hay muchos misterios sobre la base neuronal que controla el comportamiento social, ya sea en insectos, animales o humanos. La forma en que ha evolucionado sigue siendo en gran parte desconocida. Creo que este estudio es un trabajo pionero en este campo".
Más información: Takayoshi Kuwabara et al, Evolutionary dynamics of mushroom body Kenyon cell types in hymenopteran brains from multifunctional type to functionally specialized types, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add4201. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add4201
Información de la revista: Science Advances
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