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INVESTIGACIÓN

Desvelado el mecanismo del cerebro para cantar y aprender

Desvelado el mecanismo del cerebro para cantar y aprender
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José María Fernández-Rúa
miércoles 24 de noviembre de 2021, 13:09h

Un novedoso estudio de la Universidad de Oregón, en Estados Unidos, concluye que las células especializadas dentro de los circuitos neuronales que desencadenan el aprendizaje completo en los pájaros a cantar tienen un parecido sorprendente con una clase de neurona que, en el cerebro de las personas, se asocia con el desarrollo de las habilidades motoras finas.

El físico y neurobiólogo Henrique Von Gersdorff, de origen brasileño, es el autor principal de este estudio que aparece en Nature Communications. “Estas son -explica- las propiedades que necesita el cerebro del pájaro si desea cantar y ser preciso y distinto para que la hembra pueda elegir con qué ave quiere aparearse”.

En su opinión, “se necesita un cerebro altamente especializado para conseguir esto”.

Este investigador dirige un laboratorio especializado dentro del Instituto Vollum, situado en el campus de la Universidad de Oregón, en Portland, que colabora con distintas instituciones especializadas de Estados Unidos y de Europa.

Especialista en física de altas energías en el Laboratorio Nacional de Brookhaven disfrutó de varias becas postdoctorales en la Universidad de Stony Brook y en el Instituto Max-Planck de Química Biofísica, Departamento de Biofísica de Membranas, en la localidad alemana de Göttingen.

Como recuerda este neurobiólogo, la información sensorial es transmitida por neuronas y sinapsis especializadas para transmitir fielmente grandes cantidades de información a altas velocidades. Un evento clave en la transmisión sináptica es la liberación de neurotransmisores a través de la fusión de vesículas en las terminales sinápticas.

Cerebro del pájaro para cantar

Von Gersdorff reconoce que los estudios directos de las terminales sinápticas se han visto obstaculizados por sus pequeños tamaños y limitaciones técnicas. Sin embargo, utilizando mediciones de capacitancia de membrana de pinza de parche de alta resolución en el tiempo ha estudiado la cinética de la fusión de vesículas (exocitosis) y la posterior recuperación de la membrana (endocitosis), en terminales sinápticas vivas únicas de células bipolares de la retina de peces de colores y de células ciliadas de la papila anfibia de la rana.

Estas células tienen zonas activas compactas de tipo cinta que contienen una gran cantidad de vesículas liberables adecuadas para la transferencia de grandes anchos de banda de información.

Actualmente, investigan mecanismos para la plasticidad sináptica a corto plazo en las sinapsis de cinta en cortes de retina de ratón y también la liberación multivesicular en las sinapsis de células ciliadas, utilizando mediciones de capacitancia junto con registros emparejados de células ciliadas y sus fibras aferentes.

Este laboratorio también utiliza técnicas de imágenes para registrar ópticamente la dinámica rápida de los cambios de calcio en las zonas activas y las fibras nerviosas. lo que indica que la membrana de la vesícula sináptica se vuelve a internalizar rápidamente después de la fusión de la vesícula.

Benjamin Zemel, miembro de este equipo, llevó a cabo cortes extremadamente finos del cerebro del pájaro cantor y el registro de una sola célula. El estudio revela que un grupo particular de neuronas expresa un conjunto de genes que modulan las proteínas del canal de iones de sodio. Estos canales generan señales eléctricas que se utilizan para la comunicación entre las células del sistema nervioso.

En este caso, el ensamblaje permite que las neuronas disparen picos repetitivos, conocidos como potenciales de acción, a velocidades y frecuencias extremadamente altas mientras el pájaro canta.

Similitud con las células de Betz

El estudio describe picos ultrarrápidos que solo duran 0,2 milisegundos, en comparación con la mayoría de los picos de potencial de acción que transcurren durante un milisegundo o más. Un milisegundo es, en sí mismo, increíblemente rápido, una milésima de segundo.

Además, como indican estos científicos, sus hallazgos sugieren nuevas vías para comprender el mecanismo en varios aspectos del comportamiento y el desarrollo humanos que involucran el control de la motricidad fina.

Los investigadores subrayan que el ensamblaje de neuronas y canales iónicos involucrados en el canto del pinzón cebra macho se parece mucho a un ensamblaje similar de neuronas conocidas como células de Betz, en la corteza motora primaria del cerebro humano.

Entre las células cerebrales más grandes conocidas en humanos, las células de Betz tienen axones largos y gruesos que pueden propagar picos a velocidades y frecuencias muy altas. Los neurocientíficos creen que son importantes para las habilidades motoras finas que involucran manos, pies, dedos y muñecas.

Un pianista -argumenta el profesor Claudio Mello, también del equipo- es un buen ejemplo. “Piensan tan rápido que tienen que depender de los recuerdos y las acciones que se aprenden y almacenan. Tocar la guitarra es lo mismo», añade.

El profesor Mello, reconocido neurocientífico del comportamiento, eligió a este pájaro como modelo animal. Conoce desde hace unos 20 años a Von Gersdorff. Un día, almorzando con él en la Universidad, Mello conectó su ordenador portátil para mostrar una imagen del cerebro de un joven pájaro cebra macho, justo antes de que pudiera cantar, seguida de otras imágenes más científicas.

Von Gersdorff reconoció en ellas “la proteína que hemos estado estudiando en el sistema auditivo de roedores. Promueve picos de alta frecuencia”.

Cantar y aprender en distintos tipos de cerebro

El hecho de que estas mismas propiedades del circuito motor sean compartidas por especies que divergieron hace más de 300 millones de años, indica la importancia de este hallazgo protagonizado por Von Gersdorff y Mello.

Estos investigadores coinciden en subrayar que las propiedades neuronales que descubrieron en el pinzón cebra macho pueden optimizarse para la velocidad y la precisión a través de la evolución convergente.

Von Gersdorff cree que es posible que algunas mutaciones genéticas que afectan a estas células de Betz (neuronas piramidales más grandes de toda la corteza cerebral) provoquen efectos relativamente leves, como la tartamudez, que puede superarse con el aprendizaje, mientras que otras podrían tener efectos más pronunciados, como los implicados en trastornos progresivos como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA).

Como detallan especialistas del Instituto Superior de Neurociencias de México, la corteza cerebral recubre por completo cada hemisferio cerebral. Está formada por sustancia gris y se ha estimado en la actualidad que contiene aproximadamente 86.000 millones de neuronas.

La superficie de la corteza se incrementa al introducirse en las circunvoluciones, separadas por fisuras o surcos. El grosor de la corteza varía entre 1,5 mm y 4,5 mm. Es más gruesa sobre la cresta de la circunvolución y más fina en la zona profunda de un surco.

La corteza cerebral, como la sustancia gris de cualquier otra localización en el sistema nervioso central, está formada por una mezcla de células nerviosas, neuroglía y vasos sanguíneos. En la corteza cerebral se encuentran los siguientes tipos de células nerviosas: piramidales, estrelladas, fusiformes, horizontales de Cajal y células de Martinotti.

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