La importancia de la estructura del sistema nervioso y la evolución del cableado neuronal

Un nuevo estudio, en la edición en línea de esta semana del procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , muestra un grado increíble de diversidad biológica en una ubicación sorprendente, es decir, en una única conexión neural en la pared del cuerpo de las moscas. El hallazgo abre un nuevo espectro de preguntas interesantes sobre la importancia de la estructura del sistema nervioso y la evolución del cableado neuronal.
El genetista Barry Ganetzky, Profesor Steenbock de Ciencias Biológicas en la Universidad de Wisconsin-Madison declaró:

"No sabemos casi nada sobre la evolución del sistema nervioso, aunque sabemos que tiene que suceder: los comportamientos cambian, la complejidad cambia, hay nuevas neuronas, la formación de conexiones sinápticas diferentes".

El hallazgo demuestra aún más sorprendente teniendo en cuenta que Ganetzky y su estudiante graduado Megan Campbell descubrieron la diversidad inesperada en un lugar muy familiar para los científicos, es decir, la unión neuromuscular 4 (NMJ4), el lugar donde un solo motor de neuronas en contacto con un músculo en particular en la mosca pared del cuerpo para impulsar su actividad. Las sinapsis donde las neuronas se unen a sus objetivos neuronales o musculares tienen una forma estructural compleja, parecida a árboles en miniatura decorados con pequeños bulbos que son los terminales nerviosos (botones sinápticos).
Ganetzky explica:

"Las sinapsis son donde se produce la transferencia de información importante y las funciones integradoras del sistema nervioso. Es el lugar fundamental donde se lleva a cabo el procesamiento de la información, y existe una creencia subyacente de que la estructura de la sinapsis es clave para entender su función".

Cada músculo es suministrado por una neurona motora diferente que forma un NMJ con una forma, tamaño y característica de geometría para ese NMJ particular. Dada la consistencia de la anatomía de la mosca, incluso a través de diferentes especies permite a los investigadores identificar exactamente la misma sinapsis en diferentes moscas individuales. El desarrollo sináptico y la función de NMJ4 han sido bien investigados, y Ganetzky ha usado NMJ4 durante más de 20 años para identificar genes con una serie de funciones biológicas, desde trastornos del movimiento hasta neurodegeneración.
El último proyecto se derivó de un simple debate sobre lo que realmente es "normal" para las moscas de la fruta criadas en laboratorio y sus contrapartes salvajes. Campbell descubrió durante un examen de la NMJ4 en la mosca de la fruta común de laboratorio, Drosophila melanogaster, que la morfología sináptica entre las moscas de laboratorio de raza y silvestres, así como entre las cepas obtenidas en Madison, Wis., Y cepas de lugares tan lejanos como Zimbabwe fue consistente, con todas las moscas teniendo cenadores y boutons de aspecto similar.

Alentados por el descubrimiento, decidieron investigar más a fondo. Ganetzky dice: "Drosophila es un género muy rico: miles de especies con diferentes comportamientos, diferentes preferencias alimenticias, diferentes ambientes, diferentes climas, diferentes tamaños, con más de 50 millones de años de divergencia". Se puede comparar con la separación evolutiva entre ratones y humanos.
Él agrega que, independientemente de estas diferencias, el plan corporal de las larvas es exactamente el mismo en todas las especies conocidas de Drosophila, independientemente de su tamaño, hábitat o fuente de alimento, indicando que:
"Célula por célula, la musculatura de la pared del cuerpo y los patrones de inervación son idénticos".
Comenzaron a investigar NMJ4 en otras especies de Drosophila con la ayuda de la colección de moscas del biólogo evolutivo de UW-Madison Sean B. Carroll. Anticiparon encontrar patrones predecibles con pequeñas variaciones cuando se centraron en su sinapsis objetivo en 21 especies diferentes de Drosophila de todo el mundo, sin embargo, después de examinar solo unas pocas especies Campbell dijo que surgió una imagen diferente.
Al igual que Drosophila melanogaster, cada especie tenía una apariencia NMJ4 característica, sin embargo, esta apariencia difería dramáticamente entre las especies. Mientras NMJ4 en algunas especies consistió en unos pocos botones dispuestos en un patrón simple no ramificado, otros tenían numerosos botones distribuidos en varias ramas largas, o muchos botones empaquetados en cenadores densos, muy agrupados.
A pesar de que Ganetzky declara: "Los resultados fueron absolutamente asombrosos, una variación que va más allá de lo que habíamos anticipado", hubo más sorpresas.
Las sorprendentes variaciones en la complejidad no se correspondían con una relación evolutiva entre las especies, es decir, los NMJ de especies más estrechamente relacionadas no se parecían más en comparación con las de las moscas más distantes.
Incluso descubrieron variaciones obvias entre especies que estuvieron separadas por menos de un millón de años de evolución, especies que de lo contrario parecen tan parecidas que incluso los expertos en moscas tienen dificultades para distinguirlas en función de la apariencia. Según los investigadores, una evolución tan rápida es asombrosa, aunque su importancia biológica sigue sin estar clara.
Una respuesta a la pregunta de qué podría explicar tal variación extraordinaria puede ser la posibilidad de deriva genética, una acumulación aleatoria de variaciones genéticas que cambian la apariencia de la NMJ pero que no tienen ningún impacto en el organismo de otra manera. Básicamente, cualquier NMJ que sirva al propósito será suficiente. Otra alternativa podría ser que cada NMJ esté formado por selección natural debido a su tamaño y estructura particulares para de alguna manera aumentar la supervivencia o el éxito reproductivo de los miembros de esa especie.
Asistencia de compañeros genetistas Universidad de Wisconsin-Madison Bret Payseur y Beth Dumont, los investigadores utilizaron un modelo cuantitativo para examinar las diferentes estructuras NMJ, en función de la conexión evolutiva entre las 11 especies, cuyo árbol evolutivo que se conoce con precisión a partir de la secuenciación del genoma.
Ganetzky dice que los resultados demuestran que la variabilidad que observaron no parece ser aleatoria, y dice:
"Lo que eso sugiere es que hay una fuerza impulsora, la selección natural, que está configurando la sinapsis de una manera particular".
Plantearon la hipótesis de que la función neural sería un objetivo obvio de selección y actividad eléctrica medida en el circuito, pero descubrieron que las grabaciones de actividad de cuatro especies para representar el rango de complejidad estructural revelaron los mismos funcionamientos neurales básicos independientemente de la estructura sináptica.

De acuerdo con los investigadores, puede haber sutiles diferencias funcionales entre las diferentes estructuras NMJ que no fueron detectadas por su ensayo, pero que podrían divergir en diferencias biológicas distintas. Por ejemplo, capacidad de aprendizaje o respuestas de estrés que serían un objetivo para la selección natural.
Ganetzky comenta:
"Creemos que hay alguna razón por la cual la variación importa, pero aún no sabemos cuál es esa razón".
Campbell y Ganetzky están actualmente explorando para estudiar si existen o no mecanismos genéticos y moleculares subyacentes y la importancia biológica de esa variación natural.
Ganetzky concluye:

"Creemos que hemos hecho un descubrimiento importante sobre la naturaleza que creemos que abre todo tipo de nuevas puertas. En este punto, hemos planteado muchas, muchas más preguntas de las que hemos respondido ... preguntas sobre la evolución de los sistemas nerviosos, evolución del comportamiento, la relación entre la morfología y la función neuronal y sináptica. Espero que esto capte el interés de los científicos en muchos otros campos para aplicar sus propias áreas de experiencia ".

Escrito por Petra Rattue