Si alguna vez ha ido a un oculista, es muy probable que haya sentido una repentina bocanada de aire en el ojo que constituye una prueba tradicional para el glaucoma. No es la experiencia favorita de nadie, pero la bocanada no es invasivae inofensivo.
Los científicos usan un método similar para probar el aprendizaje y la memoria en animales y humanos. Al igual que los experimentos clásicos de Pavlov que vinculan un estímulo neutro con una respuesta fisiológica, la prueba de parpadeo empareja una luz o un sonido con una rápida bocanada de aire en el ojo. Con repetición, el animal aprende a cerrar el ojo, o parpadear, en respuesta a la luz o al sonido solamente. Se llama aprendizaje asociativo, y la respuesta está regida por una región del cerebro conocida como cerebelo.
Si bien la prueba de parpadeo ha existido desde 1922, nunca se había intentado en cerdos hasta ahora. En un nuevo estudio en Fronteras en neurociencia del comportamiento , los investigadores demuestran que la prueba de parpadeo funciona en cerdos de 3 semanas, una especie modelo para la investigación de neurociencia nutricional en bebés humanos.
"La idea es, si podemos mejorar el desarrollo estructural en el cerebro a través de intervenciones nutricionales, los cerdos deberían realizar menos pruebas para aprender la regla. Estamos en el proceso de evaluar la pieza de nutrición ahora, pero teníamos que obtener laprueba para que funcione primero ", dice Ryan Dilger, profesor del Departamento de Ciencias Animales de la Universidad de Illinois y coautor del estudio.
Dilger se especializa en los efectos de la nutrición en el cerebro en desarrollo, y gran parte de su trabajo se dirige directamente a la industria de las fórmulas infantiles. Utiliza cerdos recién nacidos porque, a diferencia de los roedores, la anatomía y estructura del cerebro, la fisiología intestinal y los requisitos nutricionales son sorprendentementesimilar a los bebés humanos.
El equipo de Dilger normalmente estudia la respuesta del cerebro de los cerdos a nuevos ingredientes a través de imágenes de resonancia magnética, MRI, que se enfoca en la estructura y el tamaño de varias regiones del cerebro. También se basan en tareas de comportamiento bien validadas, como el reconocimiento de objetos novedosos, que reflejan la actividaden el hipocampo y el cuerpo estriado, algunas de las regiones del cerebro relacionadas con el aprendizaje y la memoria.
Pero Dilger quería una herramienta para evaluar específicamente el procesamiento cognitivo en el cerebelo. Fue entonces cuando recurrió a Henk-Jan Boele y Sebastiaan Koekkoek, especialistas en parpadeo y neurocientíficos del Centro Médico Erasmus en los Países Bajos.
Aunque los seres humanos y todo tipo de animales se han sometido a la prueba de parpadeo, el paradigma del comportamiento nunca se había validado para los cerdos.
"Para el condicionamiento del parpadeo de humanos y ratones, utilizamos sistemas completamente diferentes", dice Boele, un investigador postdoctoral con nombramientos duales en Erasmus y la Universidad de Princeton. "Los seres humanos son fáciles de instruir, generalmente son muy cooperativos y se quedan quietos durante el experimento, lo que facilita la aplicación de la bocanada y la medición del párpado. La mayoría de los ratones se fijan la cabeza durante el experimento, lo que facilita la aplicación de la bocanada de aire y la medición del párpado. Los cerdos, en cambio, fueron un desafío porque no queríamosfijar la cabeza. Fue realmente difícil administrar la bocanada de aire de manera confiable y medir las respuestas de los párpados.
"Probamos cámaras de video, diodos y todo tipo de cosas para capturar el parpadeo. Y tuvimos que usar un equipo para administrar la bocanada de aire que estaba muy cerca del ojo para evitar demoras. Realmente necesitamosbocanadas breves y agudas que no son invasivas para el animal, pero que están sincronizadas con mucha precisión. Así que fue un desafío ", dice.
La solución fue pegar un trozo corto de tubo de aire junto a un ojo y pegar sensores magnéticos en la frente y el párpado para registrar el parpadeo. El sistema midió el parpadeo hasta el milisegundo.
Y sí, Boele se infló en el ojo para probar el sistema. Funcionó. "Oh, sí, parpadeé", se ríe.
Para asegurarse de que los cerdos tuvieran movimiento libre de la cabeza pero que no se levantaran y corrieran, los investigadores los colocaron en una caja amortiguadora de sonido hecha a medida equipada con una hamaca del tamaño de un cerdo.
Aparentemente fue muy cómodo.
Sangyun Joung, estudiante de doctorado en el Programa de Neurociencia de Illinois y coautor del estudio, dice: "Cada cerdo tuvo cinco días de entrenamiento para habituarlos a la hamaca y al entorno de prueba. Para el tercer día, estaban muyrelajados, hasta el punto en que algunos de ellos literalmente se estaban quedando dormidos. Eso fue un pequeño desafío para nosotros durante el análisis, porque definitivamente influyó en sus respuestas. Pero también nos dijo que todo este paradigma de comportamiento no es estresante para ellos. Para nosotros,fue interesante y frustrante al mismo tiempo ".
Una vez que los cerdos se acostumbraron a la configuración, comenzó el trabajo real. Los cerdos hicieron una serie de ocho pruebas seguidas. La primera fue solo la bocanada de aire, para medir el reflejo de parpadeo. Las siguientes seis pruebas emparejaron un pequeño azulLuz LED con la bocanada de aire. La luz se encendió durante medio segundo, 500 milisegundos, y justo al final, con la luz aún encendida, se emitió la bocanada de aire. Esa última parte, con la luz encendida y la bocanada de aire, duró unos diminutos 50 milisegundos. La prueba final fue solo con la luz, sin bocanada.
Los investigadores repitieron cada conjunto de ocho pruebas cinco veces en cada uno de los cinco días consecutivos. El tiempo entre las pruebas varió un poco para mantener a los cerdos adivinando.
"No fue solo encendido y apagado, una vez por segundo. El sistema espera hasta que el ojo esté en un lugar estable y luego repite la prueba en momentos aleatorios para que los cerdos no puedan anticipar la bocanada", dice Dilger.
Pero aprendieron, en el transcurso del experimento de cinco días, a anticipar la bocanada. Muy pronto, los cerdos cerraron los ojos exactamente en la marca de 500 milisegundos durante la octava prueba, la que tenía una luz pero nosoplo.
"El momento es perfecto. Si observa las respuestas condicionadas del párpado, puede ver que el párpado está cerrado exactamente en el momento en que se habría administrado la bocanada", dice Boele. "Simplemente el momento perfecto del motor, hasta el milisegundo. Eso es hermoso."
El equipo de investigación aprendió algo más sobre los cerdos que no conocía antes.
"Aprendimos que los cerdos pueden cerrar un ojo a la vez; pueden guiñar un ojo. En realidad, no estábamos seguros de eso", dice Dilger. "Pero como son cerdos, te frustrarán todo el día. Algunoslos cerdos simplemente se quedaban allí con el ojo cerrado, lo que significaba que no podíamos usar ese tema en particular. Son criaturas inteligentes ".
La prueba de parpadeo se enfoca específicamente en la actividad en el cerebelo, la parte del cerebro responsable de hacer predicciones inconscientes y rápidas. Estas predicciones se relacionan con respuestas motoras, como dónde caminar mientras caminas; y procesos cognitivos, como predecirlo que alguien va a decir a continuación en una conversación.
"El cerebelo está haciendo predicciones a corto plazo todo el tiempo, de forma continua. Es esencial interactuar con nuestro entorno. Cuando pensamos en el aprendizaje y la memoria, a menudo pensamos en cosas cognitivas realmente complejas, pero la mayor parte de nuestro comportamiento de la vida diaria essimplemente interacciones suaves y automáticas con nuestro entorno ", dice Boele." En el acondicionamiento del parpadeo, el cerebelo básicamente resuelve el problema por ti. No tienes que pensar en ello. Está haciendo esta predicción a corto plazo, y eso es lo que estamosestudiando."
Los cerdos nacen con un cerebelo más desarrollado que los bebés humanos. Eso está claro a partir de las pruebas de acondicionamiento del parpadeo que Boele ha realizado con bebés de seis a ocho meses; generalmente no aprenden la tarea a esa edad.
A diferencia de los humanos, los cerdos necesitan poder hacer predicciones motoras y cognitivas de inmediato, ya que pueden levantarse y caminar minutos después del nacimiento. Cuando Dilger estudia el cerebelo de los cerdos mediante resonancia magnética, que se centra principalmente en la estructura, normalmente no lo hace.No veo muchos cambios debido a las intervenciones nutricionales. Eso es porque el cerebelo está más desarrollado al nacer en el cerdo, lo que los convierte en una especie precoz. Pero los cambios nutricionales pueden alterar el funcionamiento de la región del cerebro. Eso es lo que le dirá la prueba de parpadeoen estudios futuros.
"A menudo, la función sigue la estructura, pero no siempre. Tener una deficiencia nutricional puede mostrar un déficit en el condicionamiento del parpadeo, esta tarea de aprendizaje asociativo", dice.forma invasiva de entender el desarrollo cerebeloso aquí ".
El Departamento de Ciencias Animales se encuentra en la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales de la Universidad de Illinois.
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