Cómo se adquiere el procesamiento de la información neuronal

Sólo hay que echar un vistazo a nuestro alrededor para descubrir una muestra de las variadísimas formas que los animales tienen de interaccionar con el medio ambiente. Unos viven enterrados en el lodo de las playas filtrando las sustancias nutritivas que van disueltas en el agua; algunos planean a varios cientos de metros escudriñando el suelo en busca de un animal muerto y otros, sin embargo, se introducen en nuestro cuerpo, se alojan en el intestino y nos roban parte del alimento que ingerimos. A la vez, mientras unos prefieren nadar, otros vuelan y no pocos se arrastran por el suelo, saltan o simplemente pasean. La selección natural ha ido modelando toda esa gran variedad de comportamientos permitiendo que los animales explotemos distintos recursos del medio ambiente de una forma determinada, esto es, ocupemos nuestro nicho ecológico, que viene a ser como la manera que cada especie tiene de ganarse la vida.

Sabemos que nuestro comportamiento es consecuencia de la actividad del sistema nervioso y las variaciones de aquél son consecuencia de las que ocurren en éste. Al mismo tiempo, los etólogos y psicólogos evolucionistas han puesto de manifiesto que parte de nuestro comportamiento no es más que una variación, más o menos elaborada, según los casos, del desplegado por otros parientes filogenéticos. Siguiendo esta misma dirección, el objetivo aquí es dar una perspectiva filogenética de cómo algunas variaciones en determinadas partes del SN han propiciado la aparición de nuevos comportamientos o capacidades.

Es obvio que no existe la posibilidad de rescatar especímenes de cada uno de los pasos con que la selección natural ha ido poblando nuestra historia filogenética. La fosilización sólo preserva las partes duras y, por muy dura que algunos tengan la mollera, la dureza del sistema nervioso no es suficiente para que se conserve inalterado durante miles o millones de años.

Sin embargo, este problema lo podemos solventar en gran medida recurriendo al estudio de especies actuales que, después de miles o millones de años, no parecen haber cambiado mucho. No obstante, para ello debemos tener en cuenta tres hechos.

En primer lugar, que por muy parecidas que resulten ser algunas especies actuales a otras ancestrales, las coetáneas han estado expuestas a la selección natural durante miles o millones de años y, por tanto, en mayor o menor medida, han experimentado variaciones.

En segundo lugar, no hay que olvidar el hecho de que por mucha antigüedad filogenética que presente una especie, e! ser coetánea nuestra implica que su diseño es tan adecuado o más que el del Homo sapiens para perpetuarse generación tras generación. Por tanto, su antigüedad no debe ser interpretada como sinónimo de inadecuado o ineficiente. Otra cosa es que un determinado diseño de sistema nervioso permita una variedad mayor o menor de comportamientos y una manera u otra de ver la vida y enfrentarse a ella.

En tercer lugar, el hecho de que la vida empezase en el mar no nos debe llevar a asumir tampoco que los animales que lo habitan sigan siendo los más primitivos.

El agua es, junto con la tierra y el aire, un medio más en el que la selección natural ha ejercido su implacable labor propiciando la evolución y diversificación de los animales que la habitan y la del comportamiento que despliegan.

Cómo se adquiere el procesamiento de la información neuronal

Como se sabe, las bacterias son organismos unicelulares que carecen de núcleo y, por eso, se les agrupa en un reino independiente del de los animales, el reino Monera, que apareció hace unos 3200 millones de años. El objetivo de traer aquí a colación a las bacterias es para mostrar que los elementos básicos que permiten a las neuronas recibir y procesar información para generar respuestas adaptativas aparecen ya en organismos filogenéticamente tan antiguos como los procariotas.

Escherichia coli (E. coli), es una bacteria que habita en nuestro tracto intestinal ayudándonos a digerir los alimentos que ingerimos y a «digerir» también algunas de las dudas que el origen de nuestro sistema nervioso pueda plantearnos.

Podemos afirmar que E. coli siente, recuerda e investiga su medio ambiente, como si se tratase realmente de un animal. Si observamos a esta bacteria en un medio en el que hemos colocado distintas concentraciones de glucosa, veremos que se mueve propulsada por sus flagelos desde las zonas en las que no hay o hay muy poca concentración de azúcar, hacia las que presentan mayor concentración.

Este comportamiento es posible gracias a tres circunstancias. La primera de ellas es que E. coli dispone de un receptor (proteína de membrana) en su cubierta celular que detecta la glucosa. Junto con este receptor, posee otros diez o doce tipos distintos que son específicos para diferentes moléculas que la bacteria puede encontrar en su medio ambiente (aminoácidos y otros nutrientes o toxinas). La segunda circunstancia que hace posible el comportamiento de E. coli, es que cada uno de estos receptores provoca una respuesta en el interior celular que desencadena la tercera de las circunstancias que la bacteria necesita para poner de manifiesto su comportamiento: un cambio en la actividad de sus flagelos que le hace dirigirse hacia la zona de mayor concentración de la sustancia detectada, alejarla de ella si es tóxica o nadar cambiando continuamente de dirección (¿buscando?) si el medio no proporciona ningún tipo de señal.

Otro elemento a considerar del sencillo comportamiento de E. coli, es que el hecho de que la bacteria nade desde donde hay menos concentración de una sustancia hacia donde hay más y viceversa, está poniendo de manifiesto que, además de ser capaz de detectar información del mundo exterior y responder a ella, en E. coli existen mecanismos que permiten memorizar, es decir, retener la información pasada proporcionada por los receptores y, a su vez, compararla con la actual, ya que de otra forma no podría dirigirse en el sentido de menor a mayor concentración o viceversa, como realmente hace, simplemente se pararía al encontrar el primer cambio de concentración y no exploraría fuentes mejores de recursos. No entraremos en detalles acerca de los mecanismos involucrados en esta memoria, sólo apuntaremos que su causa parece estar relacionada con cambios en el estado del receptor según la exposición de éste a su ligando.

Por otro lado, el comportamiento de E. coli no es tampoco tan simple como para depender de una única señal que llega a uno de sus receptores y activa sus flagelos. E. coli es capaz de integrar la información que en un momento dado le puedan proporcionar distintos receptores. El resulta do de esa integración se convertirá en la señal que regulará la actividad de los flagelos, es decir, los elementos motores a través de los cuales la bacteria exhibe su comportamiento, ajustando la respuesta a sus necesidades nutricionales o de otra naturaleza en ese momento.

Existen otras bacterias, como Halobacterium salinarium (habitante de las marismas), en las que, además de los receptores mencionados en E. coli, presenta un fotopigmento, muy parecido a la rodopsina (pigmento que forma parte de los fotorreceptores de los mamíferos), muy sensible a la luz naranja (6402 Á de longitud de onda) que es una fuente de energía para esta bacteria. La activación de este pigmento, al incidirle un haz de luz de la longitud de onda indicada, hace que la bacteria se mueva en la dirección de la fuente luminosa.

Ambas bacterias son capaces de emitir un comportamiento, claro está, sin sistema nervioso ¡son organismos unicelulares! Sin embargo, su conducta es equiparable a la que efectúan muchos organismos pluricelulares sencillos dotados de sistema nervioso, de la misma manera que lo son los procesos y estructuras que la desencadenan: receptores sensibles a distintas señales procedentes del medio ambiente externo, mecanismos para procesarlas, compararlas cualitativa y temporalmente con otras y emitir respuestas que les permiten interaccionar activa y adaptativamente con su medio ambiente.

La Neurona

La neurona es una célula muy especializada que desarrolla su actividad dentro de un organismo pluricelular y, por tanto, son notables sus diferencias con las bacterias. No obstante, a grandes rasgos las similitudes permanecen: sigue manteniendo tipos de receptores parecidos a los bacterianos, además de otros especial izados a los que se unen transmisores neuroactivos.

Asimismo, integran la información procedente de sus receptores a través de mecanismos bioquímicos que se ponen en funcionamiento cuando los receptores son activados. Y, finalmente, en función de la integración de las señales recibidas, puede emitir una respuesta, aunque, a diferencia de la de las bacterias, esa respuesta no le hace moverse en una dirección u otra, sino generar una señal eléctrica (potencial de acción) que transmite información a otra neurona, glándula o músculo que sí hará entonces posible que el animal se mueva y manifieste un comportamiento.

El tiempo que separa a las bacterias y los primeros animales es de miles de millones de años, pues los organismos pluricelulares y heterótrofos que llamamos pretazoos aparecen hace unos 600-700 millones de años y con ellos las primeras neuronas. Por tanto, buena parte de las características descritas en las bacterias as debían poseer los organismos eucariotas unicelulares que comenzaron a habitar la Tierra hace unos 900 millones de años y que dieron lugar a la aparición de los primeros animales pluricelulares.

El origen de las neuronas sigue envuelto en dudas: son variadas las hipótesis planteadas para dale explicación. Parece haber consenso en que procederían de células epiteliales que se fueron especializando en células neuroepiteliales sensibles a estímulos mecánicos, electromagnéticos y químicos, que transducirían en señales químicas y eléctricas capaces de dar una respuesta rápida y autónoma en los primeros metazoos.

En este estado, tal vez, como indica Rodolfo Llinás,

«la forma más primitiva de comunicación entre neuronas fuese la resonancia eléctrica, propiedad ésta que resulta de la conectividad eléctrica directa entre células (como ocurre con el corazón, que funciona como una bomba, en virtud de las contracciones simultáneas de todas sus fibras musculares) interconectándose en un sistema nervioso sencillo que permite un comportamiento coordinado».

Después, o quizá simultáneamente, aparecería la transmisión química, con los sutiles matices que la caracterizan, aumentando la flexibilidad y eficiencia de la comunicación neuronal.

No obstante, la enorme heterogeneidad molecular y secretora de las neuronas apunta hacia una genealogía celular compleja relacionada filogenéticamente con la respuesta a lesiones, a través de la secreción polarizada de distintos tipos de moléculas, como aminoácidos, óxido nítrico, péptidos, hormonas, factores de crecimiento, etc.

La maquinaria genética responsable de la formación y secreción de esas moléculas (futuros neurotransmisores), pudo ser posteriormente «reclutada» de forma independiente por diferentes linajes de células proto-neuronales para mediar respuestas rápidas y lentas coordinadas, que terminaron dando lugar a los diferentes sistemas de neurotransmisión y neuromodulación del sistema nervioso de las especies actuales.

La explosión del Cámbrico, vinculada a las perturbaciones que a gran escala actuaron durante un periodo relativamente corto de tiempo sobre los ecosistemas de todo el planeta, pudieron proporcionar el marco ambiental para los rápidos eventos de especiación y neurogénesis que se dieron en ese período.

Hasta ahora, los poríferos (las esponjas) eran considerados los animales filogenéticamente más antiguos del reino de los Metazoos. Estos primitivos animales no presentan neuronas, sólo células mioepiteliales cuyas contracciones permiten abrir o cerrar sus poros para el paso del agua y la filtración de sustancias nutritivas. Ese es todo el comportamiento que despliegan las esponjas (sorprendentemente, poco que ver con el variado repertorio de algunas bacterias). Filogenéticamente más recientes son los placozoos (que también carecen de neuronas) y luego surgirían los cnidarios y ctenóforos. En estos dos últimos grupos aparecen por primera vez las neuronas y con ellas el movimiento activo dirigido, la motricidad de los animales pluricelulares. Por poseer neuronas y el parecido morfológico de algunas de las especies de ctenóforos y cnidarios, se supuso una relación filogenética estrecha entre ambos grupos, tanto que hasta hace poco tiempo estuvieron agrupados dentro del phylum de los celentéreos.

Sin embargo, los datos aportados por estudios de filogenia molecular obligaron a separarlos en dos phyla distintos dentro del reino de lo metazoos, reubicando a los ctenóforos en la posición filogenéticamente más antigua de los animales, es decir, que es con ellos y no con los poríferos, con los que todos los animales compartimos un tronco común (Moroz, 2015).

Los ctenóforos actuales son organismos que forman parte del plancton marino en el que despliega un sofisticado comportamiento depredador, más acorde con el de sus predecesores unicelulares, que el de los poríferos. Un reciente estudio (Moroz, 2014), además de corroborar las diferencias entre ctenóforos y cnidarios, ha reabierto el viejo debate acerca del origen monofilético o polifilético del sistema nervioso, ya que el genoma de los ctenóforos muestra notables diferencias con los genomas de otros animales en su contenido de genes neurogénicos, inmunológicos y de desarrollo, que ponen de manifiesto que múltiples familias de genes, incluidos los genes Hox y el microRNA, están ausentes en ctenóforos y lo mismo ocurre con la mayoría de los genes implicados en la síntesis de neurotransmisores, ya que solo el aspartato y el GABA, parecen estar presentes en ellos, faltando la serotonina, acetilcolina, dopamina, noradrenalina, adrenalina, histamina o glicina como mensajeros intercelulares. Ello sugiere que la implementación de estos neurotransmisores son innovaciones de cnidarios y organismos con simetría bilateral (Bilateria).

Todo ello parece apuntar, al menos, a un origen doble de la neuronas y los sistemas nerviosos desarrollados a partir de el las (hipótesis polifilética) y que la similitud entre los sistemas nerviosos de ctenóforos y el resto de anima les sería consecuencia de un proceso de evolución convergente (Fig. 10.1). Bajo este punto de vista, las neuronas surgirían de forma independiente en ctenóforos y cnidarios y explicaría por qué poríferos y placozoos carecen de ellas.

Sin embargo, el hecho de que en el genoma de poríferos estén presentes, casi al completo (aunque sin expresarse), genes homólogos a los que en el ciado Bilateria controlan la maquinaria bioquímica que hace posible la sinapsis, parece indicar que proceden de un ancestro que sí tenía neuronas y que, por algún motivo, en poríferos se desactivó esa maquinaria. Sería, por tanto, en ese ancestro en el que surgiría el «perfil neuronal» de ciado Bilateria. No obstante, dado el calado de las implicaciones de los resultados del trabajo de Moroz, habrá que esperar a nuevas investigaciones para ver si se corroboran esos datos en otras especies de ctenóforos.