En marzo de 2019, en un tren que se dirigía al suroeste desde Múnich, el neurocientífico Maximiliano Bothe Ajustó su cuidadoso agarre sobre la hielera en su regazo. No contenía su almuerzo. Dentro había tejido de media docena de médulas espinales de serpientes de cascabel envueltas en hielo: una entrega especial para su nuevo asesor de investigación. Boris Chagnaud, un neurocientífico del comportamiento que vive al otro lado de los Alpes. En su laboratorio de la Universidad de Graz en Austria, Chagnaud mantiene una colección de animales acuáticos que se mueven de maneras inusuales: desde pirañas y bagres que tamborilean con sus vejigas de aire para producir sonido hasta saltadores del barro que saltan en tierra con dos aletas. Chagnaud estudia y compara los circuitos neuronales de estas criaturas para comprender cómo podrían evolucionar nuevas formas de moverse, y Bothe estaba aportando sus espinas de serpiente de cascabel para unirse al esfuerzo.

Las formas en que se mueven los animales son tan innumerables como el reino animal mismo. Caminan, corren, nadan, gatean, vuelan y se deslizan, y dentro de cada una de esas categorías se encuentra una enorme cantidad de tipos de movimientos sutilmente diferentes. Tanto una gaviota como un colibrí tienen alas, pero por lo demás sus técnicas y habilidades de vuelo son polos opuestos. Tanto las orcas como las pirañas tienen cola, pero realizan tipos de natación muy diferentes. Incluso un ser humano que camina o corre mueve su cuerpo de maneras fundamentalmente diferentes.

El ritmo y el tipo de movimientos que un determinado animal puede realizar están fijados por el hardware biológico: nervios, músculos y huesos cuyas funciones están limitadas por limitaciones neurológicas. Por ejemplo, el ritmo de marcha de los vertebrados está determinado por circuitos en la columna vertebral que se activan sin ninguna intervención consciente del cerebro. El ritmo de ese movimiento está dictado por las propiedades de los circuitos neuronales que los controlan.

Para que un animal desarrolle una nueva forma de moverse, algo en su circuito neurológico tiene que cambiar. Chagnaud quiere describir exactamente cómo sucede eso.

“En la evolución, no se inventa simplemente la rueda. Se toman piezas que ya estaban ahí y se modifican”, dijo. "¿Cómo se modifican esos componentes que se comparten entre muchas especies diferentes para generar nuevos comportamientos?"

Recientemente, su equipo encontró una respuesta a esta pregunta en sus experimentos con las serpientes de cascabel de Bothe, un organismo que tiene dos ritmos de movimiento distintos integrados en un cuerpo largo y delgado.

sus resultados, publicado en Current Biology en enero, identificó cómo jugar con una sola proteína, un canal de iones de potasio, podría hacer que las neuronas motoras de activación rápida de la cola de una serpiente se comportaran más como las neuronas motoras lentas de su cuerpo ondulante, y viceversa. El hallazgo es evidencia de que cambios aparentemente mínimos en la fisiología de un animal pueden traducir la misma orden del sistema nervioso en diferentes formas de moverse.

"Lo que me pareció particularmente único e interesante de este estudio es que se centraron en neuronas motoras con dos funciones muy diferentes, pero dentro del mismo animal", dijo el neurocientífico. Marta Bagnall de la Universidad de Washington en St. Louis, que no participó en el trabajo. "Mirarlos dentro de un animal les dio esta comparación realmente agradable y ajustada".

El hallazgo apunta a una forma en que los animales del árbol de la vida pueden desarrollar nuevos comportamientos. Ajustar la pieza correcta de maquinaria biológica (en este caso, un canal iónico específico) puede cambiar drásticamente el rendimiento, tal como lo hace girar el dial de volumen en un altavoz. La evolución puede actuar primero sobre los controles, en lugar de reelaborar toda la máquina.

"Fue un resultado muy limpio", dijo Pablo Katz, neurocientífico conductual de la Universidad de Massachusetts, Amherst, que tampoco participó en el trabajo. "Y, ya sabes, las serpientes de cascabel, son geniales".

Tornillos de ajuste

A Chagnaud no le interesan las serpientes de cascabel per se. "Acabo de ver una pregunta biológica interesante", dijo. "Soy un científico oportunista".

Su equipo estudia organismos que creen que revelarán lo que llaman evolución del comportamiento. Stellschrauben. La palabra alemana significa literalmente "tornillos de ajuste", aunque es una traducción incómoda: Stellschrauben son los pequeños controles que ajustan la configuración de una máquina más grande. Si la máquina es el sistema nervioso y los escenarios son el comportamiento directo, los Stellschrauben son los interruptores, disparadores y mandos biológicos que, con sólo un pequeño ajuste, cambian la conducta de un animal de manera suficientemente dramática como para tener consecuencias evolutivas.

Las serpientes de cascabel presentan una oportunidad para comprender cómo la biología cambia la configuración de velocidad en un solo animal. Los investigadores interesados ​​en estas cuestiones a menudo tienen que comparar diferentes especies con comportamientos contrastantes: digamos, una gaviota y un colibrí, los cuales vuelan, pero con diferentes movimientos a diferentes velocidades. Sin embargo, en ese caso es difícil precisar cuál de las muchas distinciones biológicas entre las dos especies sustenta la variación en un comportamiento de movimiento único. Comparar el lento deslizamiento de una serpiente de cascabel con su rápido cascabel evita el problema de comparar manzanas con naranjas o anchoas con orcas.

Esa idea (que las serpientes de cascabel tienen dos formas de moverse en un solo cuerpo) es la razón por la que Bothe se encontró sentado en un tren de Munich a Graz con una hielera llena de espinas de serpiente.

De regreso a Graz, incrustó el tejido espinal de la serpiente de cascabel en agar, un tipo de gelatina, e hizo rodajas finas para microscopía. Visualmente, las neuronas motoras del cascabel y del cuerpo de la serpiente parecían exactamente iguales. Pero cuando Bothe utilizó un electrodo para probar sus propiedades eléctricas, encontró diferencias sorprendentes.

Las neuronas alteran su actividad eléctrica mediante bombas y canales incrustados en sus membranas celulares para controlar el flujo de iones cargados como el potasio y el sodio. En reposo, las neuronas mantienen su interior con una carga más negativa que su entorno exterior, manteniendo un voltaje de membrana en reposo de aproximadamente -70 milivoltios. Luego, cuando las señales de otras neuronas aumentan el voltaje de la membrana, la célula se "dispara": abre las compuertas de sus canales iónicos y permite que los iones positivos fluyan hacia el interior, produciendo un rápido pico de voltaje.

Este pico de voltaje, llamado potencial de acción, recorre la membrana celular de la neurona hasta llegar a una sinapsis, la interfaz entre una neurona y otra célula, donde desencadena la liberación de mensajeros químicos llamados neurotransmisores. En el caso de las neuronas motoras y los músculos, la liberación del neurotransmisor acetilcolina le indica al músculo que se contraiga.

Bothe descubrió que la corriente eléctrica necesaria para alcanzar el umbral de voltaje y activar la neurona motora del cuerpo de una serpiente era "mucho menor que la de las neuronas motoras del cascabel", dijo. "Es necesario poner mucha más corriente en la neurona [traqueteadora] para que se active". Y en comparación con las neuronas motoras del cascabel, las neuronas motoras del cuerpo reaccionaron más lentamente.

Debido a que las neuronas cascabeles se activan sólo en respuesta a señales grandes y obvias, es menos probable que fallen debido a débiles fluctuaciones en el ruido de fondo neurológico. Son menos nerviosos y más precisos, lo que les permite transmitir señales de mayor frecuencia.

Una vez identificada esta diferencia entre las neuronas motoras del sonajero y del cuerpo, el siguiente paso fue encontrar los Stellschrauben que las controlan.

Ensayo y error

Las neuronas son células, no máquinas, lo que significa que tienen una complejidad biológica confusa. El "tornillo" que buscaban Bothe y Chagnaud y que controlaba las propiedades eléctricas de la neurona motora podía ser cualquier cosa, desde un cambio sutil en la estructura de una proteína de membrana hasta la expresión de un conjunto completamente diferente de bombas y canales iónicos. Aun así, los investigadores tenían buenas razones para pensar que su Stellschrauben implicaría un canal de iones de potasio. Estudios anteriores de neuronas habían establecido que estos canales son importantes para sintonizar la precisión de las neuronas, pero su papel en el ajuste específico del comportamiento de las neuronas motoras no estaba claro.

"Hay un cierto conjunto de herramientas, digamos, que está disponible para la evolución", dijo Bothe. "Así que tal vez sean los mismos canales iónicos aquí".

Encontrar el canal exacto requirió años de prueba y error. La comparación de cómo las células del cuerpo y del cascabel expresaban genes para los canales de potasio no reveló ninguna diferencia significativa. Así que Chagnaud y Bothe siguieron adelante probando los efectos de fármacos diseñados para bloquear tipos específicos de canales. Finalmente, encontraron un canal que al bloquearse generaba diferentes velocidades de movimiento: un canal de potasio llamado KV7._2/3.

Luego, Bothe realizó experimentos más precisos, utilizando drogas para mejorar y obstaculizar la actividad del canal. Cuando restringió el canal en las neuronas motoras del cascabel, se dispararon de manera más lenta e imprecisa, como si fueran neuronas motoras del cuerpo. Luego, cuando mejoró el canal iónico de potasio, observó el efecto contrario: las neuronas motoras del cuerpo se activaban con rapidez y precisión, como las neuronas motoras de cascabel.

Era como si este canal iónico fuera un dial que pudiera convertir un tipo de neurona en otro. Pero, ¿qué era realmente diferente entre esta proteína en el cuerpo de la serpiente y el cascabel?

Al principio, los investigadores pensaron que las neuronas motoras del cascabel debían tener KV7 adicional._2/3 Canales de potasio. Los científicos pensaron que si las neuronas de cascabel tuvieran más canales, entonces podrían descargar iones más rápidamente, reduciendo el voltaje nuevamente para preparar los canales para volver a activarse rápidamente.

Para averiguarlo, Bothe y Chagnaud extrajeron y secuenciaron el ARN de ambos tipos de neuronas motoras de serpientes de cascabel y enviaron los datos a jason gallardo, biólogo evolutivo de la Universidad Estatal de Michigan, para poder comparar la expresión del KV7_2/3 gen canal entre los dos tejidos. El gen de KV7_2/3 Los canales son los mismos en todas las células del cuerpo del animal, pero si las neuronas de cascabel tuvieran más KV7_2/3 canales, los investigadores esperarían ver una mayor expresión genética en ese tejido.

Desgraciadamente, su sencilla explicación no ha sido demostrada. "Realmente no hay diferencia en el nivel de expresión genética en estos canales de potasio, lo cual fue decepcionante", dijo Gallant. "Pero creo que abre una visión más realista de la biología".

Las variaciones en la expresión del gen habrían proporcionado una manera simple y abierta de explicar cómo se ajustan los tornillos evolutivos de las neuronas motoras de las serpientes de cascabel. Pero la biología ofrece otras posibilidades. Chagnaud y Bothe especularon que una vez que las proteínas del canal se construyen a partir del modelo genético, podrían modificarse en formas ligeramente diferentes que gestionen los iones de manera diferente. Se necesitará más investigación para precisar los detalles y encontrar el control que ajuste el control.

Katz, por su parte, no consideró el resultado decepcionante en absoluto. “Así que no vieron un [cambio en] la expresión genética. Esa era la respuesta que esperaban”, afirmó. "Pero el hecho es que es un resultado genial".

Durante muchas décadas, los investigadores han asumido que los circuitos motores “existen tal como serán utilizados”, dijo Katz, lo que significa que iniciar un comportamiento como caminar o nadar es simplemente una cuestión de activar el circuito correcto. Desde este punto de vista, desarrollar un nuevo comportamiento requeriría un diseño de circuito completamente nuevo. Pero en estudios de organismos tan diversos como crustáceos, babosas de mar y ahora posiblemente serpientes, los investigadores están descubriendo que interacciones con neuromoduladores y otras sustancias químicas pueden modular la actividad que evoca un circuito, lo que lleva a las mismas redes de células a producir comportamientos marcadamente diferentes.

El nuevo estudio, dijo Katz, insinúa que jugar con esta plasticidad podría ser una forma en que evolucionen nuevos comportamientos de movimiento. Quizás la diferencia entre el comportamiento corporal y el sonajero tenga algo que ver con diferencias sutiles en los entornos químicos de sus células, no con la estructura o expresión del canal iónico en sí.

"Para muchas modificaciones evolutivas, tu objetivo principal es no romper al animal, ¿verdad?" dijo Bagnall. "Cualquier cosa que puedas hacer para mejorar los rasgos sin convertirse en un interruptor de encendido/apagado es un medio poderoso para impulsar el cambio sin ser profundamente nocivo".

Girando y afinando

Este nuevo estudio muestra que es posible ajustar las neuronas motoras para comportamientos tremendamente diferentes modificando una sola proteína. Pero las neuronas motoras son sólo una pieza del rompecabezas del movimiento. Son el último eslabón de una cadena que comienza con circuitos en el sistema nervioso central conocidos como generadores de patrones centrales, que generan los patrones rítmicos involucrados al caminar o nadar. Esos circuitos aguas arriba se comprenden mejor en otros organismos, como el pez cebra. En el caso de las serpientes de cascabel, descifrarlas sería el siguiente paso lógico.

“El eslabón perdido número uno”, dijo Katz, “es ¿cómo se crea la frecuencia para el sonajero? ¿De donde viene eso?"

Chagnaud está ansioso por descubrir si un Stellschraube similar sintoniza las neuronas motoras en otra especie temida por su picadura. Al igual que las serpientes de cascabel, las pirañas ejecutan dos movimientos rítmicos con frecuencias radicalmente diferentes: nadar, con una frecuencia de hasta seis ciclos por segundo, y hacer vibrar sus vejigas natatorias a frecuencias de hasta 140 ciclos por segundo para emitir ruidos que suenan como ladridos, aullidos y golpes de tambor. Sin embargo, a diferencia de las serpientes de cascabel, las pirañas utilizan la misma sección de su columna para controlar ambos tipos de movimientos.

“Tengo curiosidad por saber, ¿será KV7?_2/3? No tenemos idea”, dijo Chagnaud. "¿La evolución encontró la misma solución al mismo problema?"

Tiene sus dudas. Aunque tiene esperanzas de encontrar un mecanismo similar, el sorprendente (y a veces frustrante) descubrimiento en las serpientes de cascabel "fue una revelación", dijo. La evolución no es un diseñador humano con un objetivo en mente. Sus métodos son misteriosos y su caja de herramientas es enorme. "Y tienes tornillos muy diferentes que puedes girar".