¿Cuántas neuronas se necesitan para aprender?

Probablemente todos conocemos la historia de los experimentos de Ivan Pavlov, en los que tocaba una campana al mismo tiempo que daba de comer a un perro, y que después de repetir esto varias veces, el perro comenzaba a salivar con sólo escuchar la campana. Y a pesar de que hasta el día de hoy hay discrepancias respecto a si de verdad usó una campana o no, y que la historia omite la poco agradable cirugía que realizaba a los animales para medir la saliva, el hecho es que estos estudios son parte de las bases de lo que sabemos acerca de cómo aprendemos. La forma de aprendizaje descrita por Pavlov es llamada condicionamiento clásico, en la cual un estímulo neutro, como la campana, o el metrónomo dependiendo de a quién le pregunten, se asocia a un estímulo positivo, la comida. Este proceso es completamente involuntario, y la asociación no se genera de forma consciente.

En contraste al condicionamiento clásico existe el condicionamiento operante, en el cual se produce un proceso de asociación entre un estímulo y el resultado de un comportamiento voluntario. Este tipo de aprendizaje está constantemente a nuestro alrededor: recibir un aplauso después de hacer una buena presentación, decirle a un niño que si no hace la tarea no va a poder usar el celular, eximirse de un examen final si uno obtiene buenas notas durante el semestre, sufrir un descuento en el sueldo por llegar tarde al trabajo… Todos estos son ejemplos de situaciones en las cuales un comportamiento realizado por un individuo se asocia a un estímulo (como una recompensa o un castigo) y que finalmente lleva a un cambio en el comportamiento para volver a recibir o evitar el estímulo, dependiendo de su naturaleza.

Ambos tipos de condicionamiento corresponden a aprendizaje de asociación, y se han observado no sólo en humanos y otros mamíferos como los perros, sino que también en especies desde vertebrados como aves hasta invertebrados como las abejas. Estudios han mostrado múltiples áreas del cerebro involucradas en estas formas de aprendizaje, destacándose las áreas asociadas al sistema de recompensa, un sistema altamente conservado en distintas especies animales. Y es esto lo que ha generado gran dificultad para el estudio de las bases neuronales del aprendizaje, ya que en humanos sólo este sistema involucra millones de neuronas, una complejidad que hace muy difícil desentrañar sus secretos. ¿Existe un animal con un sistema nervioso más simple que aún posea estas capacidades de aprendizaje y que nos permita estudiar los circuitos que las subyacen?

Un equipo de investigadores de Alemania y Dinamarca liderados por Jan Bielecki decidieron estudiar un animal que podría tener estas características, la cubomedusa Tripedalia cystophora. Las cubomedusas son un grupo de medusas conocidas por su potente veneno, el que inyectan a sus presas o atacantes a través de estructuras especializadas dentro de las células de sus tentáculos, llamadas nematocistos, las que contienen un arpón que pueden disparar al contacto.

Además de esto, son también conocidas por poseer ropalios, que son estructuras especializadas en sus campanas que poseen dos tipos principales de sensores. Uno de estos sensores son los estatocistos, que tienen forma de sacos rellenos de líquido con pequeñas piedrecillas en su interior, similar al utrículo y sáculo del oído interno humano, y al igual que ellos tienen la función de detectar los cambios de posición del cuerpo respecto al campo gravitatorio de la Tierra, ya que al moverse la piedrecilla, células especializadas detectan este movimiento a través de cilios en su superficie, siendo esenciales para el equilibrio y la orientación del cuerpo. Pero para este estudio, el segundo conjunto de sensores son los de mayor interés, 4 ojos dispuestos por sobre el estatocisto, con dos pares de ocelos, ojos simples uno en hendidura y otro en cavidad y dos pares de ojos con lentes uno superior y otro inferior, más similares a los ojos de los mamíferos. Estos ojos les dan a las medusas la capacidad de navegar por su entorno y evitar obstáculos.

Esto es de especial importancia para esta especie, ya que Tripedalia cystophora habita en los manglares, un interesante hábitat dominado por las raíces de los árboles de mangle, que crecen en la playa formando un laberinto por el cual esta frágil medusa tiene que poder moverse sin chocar constantemente, lo cual podría llegar a producirle daño severo. Y es otra particularidad de los manglares lo que llevó a los científicos a estudiar a este animal en particular; debido a que se trata de un hábitat costero, las características del agua cambian de forma constante y súbita, ya sea con el ciclo de las mareas, la descarga de sedimento desde los ríos o el movimiento constante de otros animales de distintos tamaños.

Además, esta medusa posee sólo un tipo de pigmento visual en sus ojos, a diferencia de los humanos, por ejemplo, que poseemos tres, lo que significa que no pueden distinguir colores y sólo ven en un gradiente de grises, y por ello sólo pueden detectar objetos a través de la diferencia relativa de brillo entre ellos y el resto del ambiente. Todo esto lleva a que las raíces de los mangles pasen de ser claramente visibles en agua limpia y un día soleado a casi imperceptibles en un día nublado con agua saturada de sedimento. ¿Cómo logra esta medusa entonces nadar entre ellas sin chocar en estas condiciones tan extremadamente diferentes?

Para responder a esta pregunta los investigadores partieron probando cómo respondían las medusas a obstáculos simulados. Para ello las situaron por 7 minutos en una piscina que tenía pintadas en la pared franjas negras verticales a intervalos regulares contra un fondo blanco, imitando las raíces de los mangles. Observaron que la presencia de estos claros obstáculos hacía que las medusas no se acercaran al borde de la piscina, confirmando que el modelo experimental gatillaba el comportamiento de evitación que tienen en la naturaleza, en el cual las medusas giran 120-180º y aumentan su velocidad de nado. Después probaron usar una piscina en que los bordes estaban pintados de un color gris uniforme, es decir, sin obstáculos visibles. Esto hizo que las medusas se acercasen más al borde, y chocaran en múltiples ocasiones contra este durante toda la duración del experimento. Este segundo resultado es también importante, porque muestra que el comportamiento de evitación requiere que la medusa vea el obstáculo, ya que el choque contra la pared por sí solo no es suficiente para gatillarlo.

Pero el siguiente experimento fue el más interesante. Cuando la pared de la piscina se pintó con franjas verticales grises con una intensidad de 39%, más o menos a medio camino entre negro y blanco (el mismo gris del experimento con el fondo parejo), es decir obstáculos medianamente visibles como una raíz de mangle en agua turbia, las medusas al inicio del experimento chocaban con la pared, pero con el paso del tiempo disminuía el número de choques y hacia el final del experimento ya no se acercaban a la pared.

Al combinar toda esta información surge una imagen más clara del funcionamiento del sistema de evitación de la medusa. Si los obstáculos son claramente definidos la medusa los evita fácilmente, pero si son menos claros, la medusa ajusta el umbral de contraste, es decir, la diferencia de brillo que debe tener el obstáculo contra el fondo, cada vez que choca con uno hasta que deja de chocar. Esta forma de asociación de estímulos correspondería en parte a condicionamiento clásico, ya que un estímulo no dañino, en este caso la imagen de un obstáculo se asocia a un estímulo aversivo, chocar con la pared, pero además se trata de un condicionamiento operante, ya que lleva a evitar el comportamiento que produce el daño (nadar hacia la pared) y producir un comportamiento de evitación, en este caso nadar en la dirección opuesta.

Este resultado es muy interesante, ya que esta forma de aprendizaje no había sido observada antes en un animal como la medusa, sobre todo por un detalle importante que hasta el momento no se había mencionado respecto a este animal: las medusas no tienen un cerebro, el órgano normalmente asociado a las formas más complejas de aprendizaje. ¿Qué estructura usa entonces la medusa para aprender si no tiene un cerebro?

Dada la simplicidad del sistema nervioso de este animal, los investigadores se centraron nuevamente en el ropalio. Esto se debe a que, junto con poseer conjuntos de neuronas encargadas de recibir y procesar la información de los múltiples ojos, poseen además un nervio que se conecta al plexo nervioso que controla la contracción de la campana, y por lo tanto el movimiento de la medusa, y además recibe información de los sensores de tacto que se encuentran en la misma campana y que llevan la información de los choques. Para el último experimento se usaron ropalios aislados y se ubicó un electrodo en el tallo que los une a la medusa, que es la zona por donde pasa este nervio.

El electrodo permitía tanto medir la actividad que salía a través del nervio como producir descargas eléctricas para simular la entrada de información táctil. Al presentar a los ropalios aislados una pantalla con el patrón de franjas negras y blancas (de alto contraste) y al mismo tiempo dar descargas eléctricas se logró simular la situación de ver un obstáculo y chocar con él y así “entrenar” a la estructura para ver si el aprendizaje ocurría.

Y efectivamente cuando a estos ropalios “entrenados” se les presentó una pantalla con las franjas grises y blancas se midió un aumento de la actividad del nervio de salida, indicando que se estaba enviando la señal de aumentar la velocidad de contracción de la campana o, en otras palabras, la señal de escape. También se probaron las otras combinaciones del experimento inicial, y se observó que el ropalio aislado mostraba la misma necesidad de asociar el obstáculo con el choque para generar el proceso de aprendizaje.

Esto muestra que el circuito neuronal del ropalio es suficiente para generar el condicionamiento operante de la medusa completa, demostrando que por lo menos para este proceso en particular, esta estructura hace las veces de un cerebro para la medusa.

La capacidad de estas medusas de aprender a pesar de no tener un sistema nervioso central, además de su posición como un grupo hermano y más antiguo que bilateria (el grupo al que pertenecen la mayor parte del resto de los animales) llevan a la interesante pregunta de si la capacidad de aprender es una característica mucho más fundamental de las redes neuronales de lo que habíamos pensado, y de qué tal vez un cerebro no es una necesidad sino más bien una fuente extra de sofisticación para este proceso. Además, el hecho de que el sistema nervioso del ropalio está formado por tan sólo unas mil neuronas, abre la oportunidad de usarlo como modelo para estudiar las bases neuronales del aprendizaje, y cómo la información visual y táctil son procesadas e integradas dentro de esta estructura. Esto tiene profundas implicancias, ya que conocer los mecanismos mediante los cuales funcionan la memoria y el aprendizaje puede ser de gran utilidad para entender y tratar enfermedades como la demencia, sobre todo si a esto le sumamos el hecho de que los ropalios de esta medusa pueden regenerarse en su totalidad después de ser dañados. Y el aporte no queda sólo en la biología, ya que entender estos circuitos puede ayudar en el avance de la cada vez más omnipresente inteligencia artificial y sus múltiples aplicaciones como, por ejemplo, el análisis de imágenes.

Fuente: Associative learning in the box jellyfish Tripedalia cystophora

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982223011363

*Este artículo surge del convenio con el Centro Interdisciplinario de Neurociencia de la Universidad de Valparaíso.