Para un gusano nematodo, un gran césped de la bacteria que come es un gran lugar para dispersar sus huevos para que cada cría pueda emerger en un ambiente nutritivo. Es por eso que un gusano deambula rápidamente por un parche de comida metódicamentepone sus huevos a medida que avanza. Un nuevo estudio realizado por neurocientíficos en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT investiga este ejemplo de coordinación de la acción, donde la puesta de huevos se combina con la itinerancia del animal, para demostrar cómo un sistema nervioso coordina distintas salidas de comportamientoEse es un desafío que enfrentan muchos organismos, aunque de diferentes maneras, durante la vida diaria.
"Todos los animales muestran una capacidad notable para coordinar sus diversos programas motores, pero los mecanismos dentro del cerebro que permiten esta coordinación son poco conocidos", señalan los científicos, incluido Steven Flavell, profesor asistente de desarrollo profesional de Lister Brothers en el Departamento de MITCerebro y Ciencias Cognitivas.
Los miembros del laboratorio Flavell Nathan Cermak, Stephanie Yu y Rebekah Clark fueron coautores principales del estudio publicado el 8 de junio en eLife .
Una nueva plataforma de imagen
Para estudiar cómo los animales coordinan sus programas motores, el equipo de Flavell inventó una nueva plataforma de microscopía capaz de tomar videos de nematodos nítidos y de alta frecuencia de cuadro por horas o días. Guiado por un software personalizado, el telescopio rastrea automáticamente los gusanos,permitiendo a los investigadores recopilar información sobre el comportamiento de cada animal. El equipo también escribió un software de visión artificial para extraer automáticamente información sobre cada uno de los programas motores de C. elegans locomoción, alimentación, puesta de huevos y más de estos videos, produciendouna imagen casi completa de los resultados de comportamiento de cada animal. Flavell dijo que las partes del alcance cuestan alrededor de $ 3,000 y pueden ensamblarse en uno o dos días utilizando el tutorial en línea del equipo. Han publicado eso y el software del sistema en línea de forma gratuita.de estos microscopios debería permitirles ser útiles para muchas aplicaciones diferentes en las ciencias biológicas.
Al usar este sistema y luego analizar los datos, el equipo de Flavell pudo identificar por primera vez una serie de patrones de comportamiento de nematodos que implican la coordinación de múltiples acciones motoras. Flavell dijo que una idea aportada por el sistema y el análisis posteriores que los nematodos intensamente estudiados, conocidos científicamente como C. elegans, tienen estados de comportamiento más distintos de lo que generalmente se supone. Por ejemplo, el estudio encuentra que el estado de comportamiento conocido como "vivienda", previamente definido en función del animal que se queda en su lugar, en realidad consistede múltiples subestados diferentes que podrían identificarse fácilmente utilizando este nuevo enfoque de imagen.
Comportamientos coordinados por dopamina
Pero uno de los nuevos patrones de comportamiento más pronunciados que surgieron de los análisis fue la observación de que las lombrices ponen muchos más huevos mientras deambulan por el césped de un alimento que en el hogar. Esto probablemente permite a los animales dispersar sus huevos por completo en un ambiente nutritivoLos dos circuitos motores que controlan la locomoción y la puesta de huevos en este animal habían sido cuidadosamente definidos por trabajos previos. Entonces, en base a su nueva observación, el equipo de Flavell decidió investigar cómo el sistema nervioso del gusano junta la locomoción y la puesta de huevos juntos.resultó depender del neurotransmisor dopamina, que es abundante en todos los animales, incluidos los humanos.
Comenzaron eliminando genes para varios neurotransmisores y otras moléculas moduladoras del cerebro. Muchos de esos candidatos, como la serotonina, afectaron el comportamiento del animal de manera importante, pero no interrumpieron este acoplamiento de itinerancia y puesta de huevos. Fuesolo cuando el equipo eliminó un gen llamado cat-2, que es necesario para la producción de dopamina, que los gusanos ya no aumentaron su puesta de huevos mientras deambulaban. Notablemente, no afectó el ritmo de puesta de huevos mientras vivían, lo que sugiere quelos gusanos sin dopamina todavía eran capaces de poner huevos normalmente mientras estaban en otros estados de comportamiento.
El equipo confirmó aún más el papel de la dopamina al tomar el control directo de las células productoras de dopamina mediante optogenética, una tecnología que permite activar o desactivar la actividad de las neuronas con destellos de luz. En estos experimentos, aprendieron que el apagado agudoLas neuronas dopaminérgicas redujeron la puesta de huevos solo cuando los animales estaban en estado de itinerancia, pero la activación de estas neuronas podría llevar a los animales a comenzar a poner huevos, incluso en circunstancias en que el ritmo de puesta de huevos es normalmente bajo.
Luego, el equipo quería saber dónde emerge la dopamina que desencadena esta respuesta coordinada y cuándo. Diseñaron gusanos para que sus neuronas brillaran cuando se volvieran eléctricamente activas, una indicación proporcionada por una oleada de iones de calcio.vieron que una neurona en particular productora de dopamina llamada PDE se destacaba por ser especialmente activa cuando los gusanos deambulaban por el césped de los alimentos, y su actividad fluctuaba en asociación con el movimiento de los gusanos. Alcanzaron el pico, vieron, justo antes de que el gusano asumiera la postura de queprecipita la puesta de huevos, pero solo cuando los gusanos se arrastran a lo largo de una fuente de alimento bacteriano. Notablemente, la neurona tiene los medios, una pequeña estructura similar a un pelo llamada cilio, para detectar los alimentos fuera del cuerpo del gusano. Estos estudios sugirieron queLa neurona PDE integra la presencia de alimentos en el medio ambiente con el movimiento propio del gusano, generando un patrón de actividad que esencialmente informa qué tan rápido progresan los gusanos a través de sus nutrientes.ambiente.La liberación de dopamina por esta neurona, y potencialmente también por otras, podría transmitir esta información al circuito de puesta de huevos, permitiendo la coordinación entre los comportamientos.
El equipo de Flavell también trazó un mapa de los circuitos neuronales aguas abajo de la dopamina y descubrió que sus efectos están mediados por dos receptores en la familia D2 de receptores de dopamina dop-2 y dop-3. Además, un conjunto de neuronas que utilizan elEl neurotransmisor GABA parece desempeñar un papel crítico aguas abajo de la liberación de dopamina, e hipotetizan que el papel de la dopamina puede ser enviar la señal en medio de la abundante comida y el comportamiento itinerante para anular la inhibición de la puesta de huevos por parte del GABA, permitiendo que este comportamiento continúe.
En última instancia, la puesta de huevos en itinerancia fue solo un ejemplo del acoplamiento del programa motor que el laboratorio eligió para diseccionar. Flavell y los coautores señalan que también hay muchos otros.
"Una cosa que nos entusiasma de este estudio es que ahora es fácil con esta nueva plataforma de microscopía medir simultáneamente cada uno de los principales programas motores generados por este animal. Con suerte, podemos comenzar a pensar en el repertorio completo de comportamientos que generacomo un conjunto completo y coordinado ", dijeron.
El equipo de investigación señala que las tecnologías desarrolladas recientemente para la obtención de imágenes de calcio en todo el cerebro han abierto la posibilidad de medir la actividad neuronal en los cerebros de varios animales, incluido el gusano.
"Para comprender estos completos conjuntos de datos de imágenes neuronales, será importante considerar cómo se relacionan con la salida de todo el cerebro: el repertorio completo de salidas de comportamiento que genera un animal", dijo Flavell.
Los otros autores del artículo son Yung-Chi Huang y Saba Baskoylu.
La National Science Foundation, los National Institutes of Health, la JPB Foundation y la Brain and Behavior Research Foundation apoyaron la investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Picower en el MIT . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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