Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

El cerebro es una máquina construida para dar sentido al mundo, pero uno de sus misterios más profundos sigue siendo cómo una red física de células da lugar a una experiencia interna y privada. Sabemos que las neuronas se conectan entre sí, transmitiendo señales como impulsos eléctricos o susurros químicos para construir nuestras percepciones y recuerdos. Pero el mapa estándar de estas conexiones, conocido como conectoma, aún no ha explicado cómo el cerebro crea la sensación del "yo" o la sensación específica de un olor o un sabor. Una idea teórica llamada la hipótesis del semblante propone una pieza faltante: que cuando el cerebro aprende a vincular dos cosas, los diminutos extremos receptores de las neuronas involucradas podrían tocarse físicamente o unirse de tal manera que les permita compartir sus señales directamente. Si esto es cierto, el cerebro podría generar el recuerdo de una cosa simplemente al activar la conexión con otra, creando una sensación de primera persona sin que esté presente el estímulo original. Para probar si tal mecanismo podría existir en un ser vivo, los investigadores recurrieron a una criatura con un sistema nervioso lo suficientemente simple como para ser mapeado completamente, pero lo suficientemente complejo como para aprender y recordar.

El sujeto de esta investigación es el nematodo C. elegans, un organismo diminuto con exactamente 302 células nerviosas en su cuerpo adulto. Los científicos ya han reconstruido todo el diagrama de cableado del sistema nervioso de este gusano utilizando potentes microscopios electrónicos, creando un mapa tridimensional de cada conexión entre cada neurona. En este estudio, los investigadores se centraron en una parte específica del cerebro del gusano llamada anillo nervioso, que contiene alrededor de 180 de estas neuronas. Estaban particularmente interesados en cómo el gusano aprende a asociar diferentes sentidos, como vincular el olor de la comida con su sabor, o la sensación de temperatura con una ubicación específica. La teoría que estaban probando sugería que para que estas asociaciones ocurrieran, las células nerviosas que sienten la comida, el olor y la temperatura deberían converger en una sola neurona receptora, y que las conexiones entre ellas deberían ser químicas en lugar de eléctricas. Además, si la teoría se sostiene, los diminutos extremos receptores de estos nervios sensoriales deberían estar agrupados estrechamente en puntos específicos de esa neurona receptora, casi tocándose, para permitir el intercambio directo de señales.

Los investigadores examinaron tres mapas diferentes y totalmente reconstruidos del anillo nervioso del gusano para ver si los nervios sensoriales de la comida, el olor y la temperatura realmente se encontraban donde la teoría predecía. Descubrieron que los nervios que sienten la comida, los nervios que sienten los olores y los nervios que sienten la temperatura dirigían la gran mayoría de sus conexiones a una única interneurona llamada AIY. Esta convergencia fue mucho más específica de lo que el azar permitiría; estos nervios sensoriales no dispersaron sus conexiones aleatoriamente entre las muchas neuronas disponibles, sino que se concentraron intensamente en este único objetivo. Además, los investigadores comprobaron el tipo de conexiones que realizaban estos nervios. Mientras que el sistema nervioso del gusano contiene una mezcla de enlaces eléctricos y químicos, las conexiones de estos nervios sensoriales hacia la neurona AIY eran casi totalmente químicas. Esta distinción es crucial porque el mecanismo propuesto para la creación de sensaciones internas depende de la transmisión química, la cual permite los cambios específicos y flexibles necesarios para el aprendizaje, en lugar de la naturaleza rígida e inmediata de las conexiones eléctricas.

La parte más sutil de la prueba consistió en buscar la proximidad física. Dado que los nervios del gusano no poseen las estructuras de ramificación complejas que se encuentran en animales más grandes, los investigadores buscaron lugares donde los extremos receptores de diferentes nervios sensoriales aterrizaban en el mismo punto exacto de la neurona AIY. Descubrieron que los nervios que sienten la comida estaban, de hecho, agrupados en unos pocos lugares específicos en un lado de la neurona AIY, apareciendo mucho más cerca entre sí de lo que la probabilidad aleatoria predeciría. Este agrupamiento no se observó en los nervios que sienten el olor o la temperatura, ni hubo un agrupamiento especial donde los nervios de diferentes sentidos, como la comida y el olor, se encontraran. Este patrón sugiere que el cerebro posee una estructura estable y preestablecida para procesar la sensación de la comida, lo cual es crítico para la supervivencia, mientras que los vínculos entre diferentes sentidos, como la comida y el olor, pueden ser más temporales y flexibles, formándose solo cuando el animal aprende una nueva asociación y quizás disolviéndose cuando ya no son necesarios.

El estudio también reveló una simetría elegante en la forma en que estos nervios están dispuestos. Los nervios que sienten la comida en los lados izquierdo y derecho del cuerpo del gusano aterrizaron en la neurona AIY siguiendo un patrón de imagen especular, con los nervios del lado izquierdo más cerca del cuerpo celular en un lado y los del lado derecho más cerca en el otro. Estos dos lados de la neurona están conectados en sus extremos distales por un puente directo, lo que permite que las señales pasen entre ellos. Esta disposición, combinada con bucles de retroalimentación donde la neurona AIY envía señales de vuelta a los nervios sensoriales, sugiere un circuito que podría oscilar o alternar en ritmo, ayudando potencialmente al gusano a navegar su entorno al comparar las entradas de ambos lados. Sin embargo, los investigadores fueron cuidadosos al señalar que, aunque estas características estructurales coinciden con las predicciones de la teoría, no son una prueba de que el mecanismo funcione realmente. Los mapas muestran que los nervios están lo suficientemente cerca como para tocarse, pero no pueden demostrar que estén realmente vinculados o que estén compartiendo señales de la manera en que la teoría describe.

En última instancia, este trabajo proporciona una sólida base estructural para una teoría sobre cómo el cerebro crea sensaciones internas, mostrando que el sistema nervioso del gusano está organizado de una manera que hace posible tal mecanismo. Los hallazgos confirman que los estímulos sensoriales convergen en un objetivo específico, que utilizan el tipo correcto de transmisión química y que se agrupan de una manera que podría permitir la interacción directa. No obstante, la ausencia de un agrupamiento similar para las asociaciones aprendidas entre diferentes sentidos sugiere que estos vínculos no son elementos permanentes en el cerebro del gusano, sino que son probablemente dinámicos y cambiantes. Para confirmar verdaderamente la teoría, los científicos tendrían que observar estas conexiones en animales vivos que estén aprendiendo y demostrar que la interrupción de esta disposición específica detiene al gusano de percibir o recordar. Por ahora, el mapa del cerebro del gusano ofrece un vistazo fascinante a la arquitectura física que podría subyacer a los primeros pasos de la experiencia consciente.