1.28.2.4 La inversión olfativa en los nematodos
Si una organización estímulo-respuesta del comportamiento fuera una adaptación evolutiva particular, por ejemplo, evolucionada para acelerar la selección de la acción en situaciones predecibles, tal vez se puedan encontrar ejemplos de ellos en un modelo animal en el que tengamos un indicio de que la evolución puede haber agilizado las vías desde los estímulos hasta las respuestas. Uno de los organismos modelo genéticos más estudiados y hasta ahora el único animal adulto con un conectoma completo de su sistema nervioso es el gusano nematodo Caenorhabditis elegans con sus 302 neuronas. El conectoma de C. elegans está dominado por conexiones feedforward desde las neuronas sensoriales a las neuronas motoras (Qian et al., 2011), por lo que quizá el sistema nervioso de este nematodo sea un candidato prometedor para encontrar «respuestas» en el sentido literal de la palabra.
Un comportamiento bien caracterizado en este nematodo es el comportamiento de inversión. Se produce cada vez que el animal se encuentra con estímulos aversivos, como ciertos olores. El circuito que controla este comportamiento puede describirse con sólo 4 neuronas, sus 44 conexiones químicas y sus sinapsis eléctricas. Un componente central del sistema es una neurona llamada AVA. Cuando AVA está activa, el animal invierte su trayectoria. La entrada sensorial a esta neurona la proporciona una neurona olfativa, la AWC. Por ejemplo, si AWC es estimulada por un odorante atractivo, deja de disparar, de manera que AVA pierde la entrada excitatoria y también deja de disparar, haciendo que las inversiones sean menos probables. Por el contrario, la activación del AWC, ya sea de forma experimental o con un olor aversivo, aumenta la probabilidad de que se produzcan inversiones al activar sinápticamente el AVA (Gordus et al., 2015). Dos neuronas adicionales están involucradas en este circuito, AIB y RIM, y la caracterización de su papel en el circuito es crucial para entender la organización del comportamiento de reversión mediado por el olfato en C. elegans.
La primera observación interesante de la conectividad del circuito es que hay más conexiones desde la neurona sensorial AWC a la interneurona AIB que a la neurona de reversión AVA. Esto es inesperado, si la función principal de los sistemas nerviosos fuera transmitir la información sensorial a los centros motores. Las imágenes de este circuito en gusanos inmovilizados en ausencia de cualquier estímulo revelan un complejo patrón de actividad correlacionada en todas las neuronas. Curiosamente, las neuronas muestran una especie de estado de actividad binario, que en su mayor parte está encendido (la neurona está activa) o apagado (la neurona está inactiva). Al cuantificar las fluctuaciones de actividad en este circuito, se observa que hay tres estados principales (de los ocho teóricamente posibles) en los que el circuito se encuentra habitualmente: algo más del 60% del tiempo el sistema está «todo encendido», aproximadamente el 20% está «todo apagado», y el 20% restante está en el estado «sólo AIB encendido». Esta observación arroja dos conclusiones: En primer lugar, incluso sin ningún tipo de estimulación, esta dinámica de red puede generar inversiones espontáneas sin requerir ninguna entrada sensorial. En segundo lugar, cada estímulo olfativo que llegue al AWC interactuará con el estado en el que se encuentre el circuito en ese momento, en lugar de llegar a un circuito inactivo y desencadenar una actividad neuronal que no existía antes. La consecuencia conductual de esta interacción no es sólo la aparición de reversiones espontáneas, sino también la aparición de no reversiones «espontáneas» en presencia de un olor aversivo. En otras palabras, el circuito de reversión es probabilístico y, sin observar el sistema nervioso del gusano, es imposible saber cuán espontáneo es realmente el comportamiento observado.
Al silenciar experimentalmente una o las dos interneuronas de este circuito, se observa que el papel de AIB y RIM es aumentar la variabilidad del circuito de reversión. Mientras que la entrada al circuito desde la neurona olfativa AWC es siempre muy precisa y predecible si, por ejemplo, se presenta un olor, la actividad del circuito de inversión siempre varía significativamente y esta variabilidad se reduce si se silencian AIB, RIM o ambas (Gordus et al., 2015). Este descubrimiento es un excelente argumento para que el RIM y el AIB se incorporen al circuito de reversión específicamente para inyectar la variabilidad tan necesaria en un circuito de reversión que, de otro modo, sería determinista. Sorprendentemente, aunque las conexiones feedforward dominan la conectividad también en este pequeño circuito, la variabilidad proporcionada por las conexiones de retroalimentación domina una característica adaptativa del comportamiento, su variabilidad. Este trabajo añade a C. elegans a la lista cada vez más larga de animales cuyos sistemas nerviosos están organizados de tal manera que la actividad en curso está simplemente modulada por estímulos externos. En el caso del nematodo, parece que de las cuatro neuronas que componen este circuito, dos existen por la única razón de mitigar los efectos que los estímulos tienen sobre el comportamiento del animal, para hacerlo más autónomo con respecto a su entorno. Si un animal con sólo 302 neuronas, que, como en todos los demás animales, constituyen el tejido más costoso energéticamente, dedica el 50% de un circuito a contrarrestar los efectos de las conexiones estímulo-respuesta en su sistema nervioso, no se pueden subestimar las implicaciones de este descubrimiento para la organización del comportamiento en los animales en general.
Así, en contra de la idea de que un conectoma dominado por conexiones feedforward desde las áreas sensoriales a las motoras implica que computa principalmente la salida motora a partir de la entrada sensorial, también el sistema nervioso de C. elegans se caracteriza mejor por una actividad constantemente cambiante y continua, muy parecida a la de muchos otros sistemas nerviosos estudiados previamente en este sentido. Parece que incluso un componente de retroalimentación numéricamente pequeño proporciona una contribución fundamental a la arquitectura general, incluso de tales redes dominadas por la retroalimentación. ¿Qué significa esto para los cerebros, como los de los mamíferos, cuya neuroanatomía parece estar dominada por bucles de retroalimentación?