Mira a los ojos de un pulpo y es posible que veas lo que te devuelve la mirada.

La estructura del ojo del pulpo en sí es similar a la nuestra, pero ahí es donde termina la similitud. Detrás del ojo, el cerebro del pulpo es muy diferente de los cerebros de los mamíferos en términos de arquitectura y diseño, pero utiliza bloques de construcción similares y realiza las mismas tareas.

Para un equipo de neurocientíficos de Oregón, comprender este cerebro de invertebrados es fascinante e informativo. «El sensor es realmente similar, pero el cerebro que procesa la información es completamente diferente», explicó Cris Niell, profesor de biología y neurociencia en la Universidad de Oregón.

Niell es uno de varios autores de un estudio publicado en Biología actualmapeando por primera vez el sistema visual de nuestros primos cefalópodos.

revelar un secreto

El parecido entre los ojos de los pulpos y los mamíferos, ayudado por cerebros muy diferentes, intrigó a Niell y su equipo. Comprender cómo una estructura neuronal completamente diferente realiza la misma función revela varias posibilidades para diseñar este tipo de sistemas. En el caso de Octopus Vision, un sistema que realiza proezas asombrosas como: B. ver bajo el agua o dirigir la capacidad de camuflaje que cambia de color de su piel.

Para desentrañar el misterio del sistema visual del pulpo, este equipo multidisciplinario primero utilizó la secuenciación de ARN de una sola célula para clasificar las células según los genes que expresaban. Según Niell, esto le da a cada tipo de celda una firma o código de barras para identificarlo. «Es una firma que también te dice algo sobre lo que está haciendo la neurona y cómo llegó allí», dijo.

Usando la secuenciación de ARN, pudieron ver qué neurotransmisores se estaban usando, cómo se comunicaban las neuronas entre sí y cómo se habían desarrollado.

«Lo primero que hicimos fue usar los neurotransmisores para dividirlos en categorías amplias, y luego pudimos entrar en esas categorías y buscar subtipos», dijo Niell. Una vez que tuvieron lo que llamaron una «lista de piezas», procedieron a ubicar las piezas dentro del sistema visual.

Creando un mapa

Para averiguar dónde se encuentran las diferentes neuronas en el cerebro, el equipo utilizó fluorescencia de ARN en el sitio hibridación. «Podríamos tomar la firma molecular de un tipo de célula y luego dibujarla básicamente en el lóbulo óptico y decir, ¿dónde están todos estos?» explicó Niell. Esta pintura mostró distintas capas que se dividen a su vez en subcapas específicas de neuronas.

«Ahí es donde se pone interesante, porque nuestro cerebro no tiene una estructura muy similar», dice Niell. «Lo siguiente que tenemos es nuestra retina».

Tanto en los ojos humanos como en los de calamar, la luz entra en la pupila y el cristalino la enfoca en la retina, que se encuentra en la parte posterior del ojo, donde las células fotorreceptoras procesan la información. Sin embargo, en comparación con el calamar, la retina humana tiene capas adicionales de células que procesan la información antes de enviar la señal al cerebro.

Según Niell, algunas personas han comparado la retina humana con el lóbulo óptico del pulpo, lo que sugiere que las capas adicionales de procesamiento en los humanos son análogas a las capas del cerebro del pulpo. Niell dijo que ahora saben que esto está mal. «Ese no parece ser el caso, parece que esta es realmente una organización distinta de un sistema visual», agregó.

Curiosamente, tanto el cerebro de los mamíferos como el del calamar usan neurotransmisores similares y expresan genes de desarrollo similares, pero dónde y cómo los usaba el cerebro del calamar era muy diferente. Por ejemplo, en los mamíferos, la dopamina es un neuromodulador involucrado en cosas como la motivación. Este no parece ser el caso en squid donde el transmisor se usa en el club óptico.

«Vemos algunas similitudes, pero siempre hay pequeños giros que no podemos mapear directamente entre sí», dijo Niell. Esto reforzó cuán diferente es la composición del sistema visual del pulpo, a pesar de que cumple la misma función que los mamíferos.

«Algo que nos interesa es que, aunque se ven diferentes y usan diferentes neurotransmisores, podrían estar haciendo tipos de cálculos similares», dijo Niell.

Sorprendente manera de hacer crecer un cerebro

Una de las mayores sorpresas iniciales fue el descubrimiento de muchas neuronas inmaduras. «En retrospectiva, tiene sentido», dijo Niell, «porque el cerebro del pulpo en realidad continúa creciendo a lo largo de su vida».

Otra característica extraña de estos cefalópodos es el crecimiento de su cerebro durante toda su vida y la velocidad a la que se produce, duplicando su tamaño casi cada dos semanas. «Entonces, a medida que su cerebro sigue creciendo, debe agregar nuevas neuronas, y eso significa que en algún momento debe tener algunas neuronas inmaduras que ingresan y se unen al circuito», explicó Niell.

Mientras que otras especies, como algunos peces y aves, experimentan un crecimiento cerebral continuo, la forma en que las nuevas neuronas se incorporan al circuito es diferente. Las aves y los peces agregan nuevas células en los bordes del sistema visual. En los pulpos, dijo Niell, «parecía que estas neuronas se estaban llenando por todas partes, lo que hacía que al cerebro le resultara un poco más difícil resolver un problema».

La adición de nuevas neuronas en los bordes no debería interrumpir las vías o funciones existentes, pero el entrelazado y el relleno de otras nuevas sí podrían. Niell usó una analogía para explicar: «Imagine una computadora tratando de funcionar mientras usted sigue conectando nuevos transistores por todas partes».

Comprender este proceso de neurogénesis puede proporcionar pistas sobre las enfermedades neurodegenerativas y la curación de lesiones cerebrales.

IA basada en pulpo

El conocimiento de que un sistema visual puede diseñarse de maneras previamente desconocidas es un hallazgo tentador. El equipo ahora puede realizar estudios más detallados de lo que hacen estas neuronas y, a su vez, compararlas con la visión de los mamíferos.

«Incluso si la organización aparente parece diferente, tal vez los cálculos sean similares», dijo Niell, «eso nos permitiría encontrar algunos de estos cálculos comunes que son potencialmente las cosas fundamentales que todos los sistemas visuales deben hacer».

Más allá de este trabajo fundamental, comprender cómo el pulpo hace cosas que nosotros no podemos ayudar a mejorar la tecnología, como por ejemplo: B. imágenes submarinas.

«Otro ejemplo que me gusta citar es la visión artificial o IA», dijo Niell. Actualmente, la mayoría de los sistemas visuales de IA que hacen cosas como el reconocimiento facial se basan en cosas similares al sistema visual de los vertebrados.

«Puedes imaginarte diseñando otros tipos de sistemas de visión artificial de IA basados ​​en el sistema visual del pulpo», agregó. «Eso podría tener capacidades muy diferentes a las de la IA basada en nuestro sistema visual».

Referencia: Christopher M. Niell, et al., Tipos celulares y arquitectura molecular del sistema visual de Octopus bimaculoides, Biología actual (2022). DOI: 10.1016/j.cub.2022.10.015

Crédito de la foto de la característica: Qijin Xu en Unsplash

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