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MIT revela: cómo los sistemas nerviosos integran el entorno y el estado para controlar el comportamiento

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Una nueva investigación del MIT revela cómo el entorno y el estado se integran para controlar el comportamiento. Examinaron en detalle los mecanismos que controlan los niveles de un solo receptor olfativo en una sola neurona olfativa del C. elegans gusano basado en el estado en curso y los estímulos experimentados.


Un modelo animal simple muestra cómo los estímulos y estados como los olores, los factores estresantes y la saciedad convergen en una neurona olfativa para guiar el comportamiento de búsqueda de alimentos.

Imagina que vives frente a una panadería. A veces tienes hambre y, por lo tanto, te sientes tentado cuando los aromas flotan a través de tu ventana. Sin embargo, otras veces la saciedad te desinteresa. A veces, aparecer para un popover parece no tener problemas, pero a veces tu ex rencoroso está allí. Tu cerebro equilibra muchas influencias para determinar lo que harás.



Un ejemplo de este trabajo en un animal mucho más simple se detalla en un nuevo MIT estudiar. Destaca un principio potencialmente fundamental de cómo los sistemas nerviosos integran múltiples factores para guiar el comportamiento de búsqueda de alimentos.

Todos los animales comparten el desafío de sopesar diversas señales sensoriales y estados internos al formular comportamientos, pero los científicos saben poco sobre cómo ocurre esto realmente. Para obtener una visión profunda, el equipo de investigación con sede en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria recurrió a la C. elegans gusano, cuyos estados de comportamiento bien definidos y sistema nervioso de 302 células hacen que el complejo problema sea al menos tratable. Surgieron con un estudio de caso de cómo, en una neurona olfativa crucial llamada AWA, muchas fuentes de información sensorial y de estado convergen para estrangular de forma independiente la expresión de un receptor de olor clave. La integración de su influencia en la abundancia de ese receptor determina cómo AWA guía el deambular en busca de comida.

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La neurona AWA se extiende desde el cerebro de un gusano hasta su nariz. Un nuevo estudio muestra que el cerebro dirige muchos estados internos y señales sensoriales a esta neurona, lo que afecta la expresión de un receptor del olfato. La suma total de estas influencias dicta el comportamiento de búsqueda de alimentos. Crédito: Ian McLachlan/Instituto Picower


"En este estudio, diseccionamos los mecanismos que controlan los niveles de un solo receptor olfativo en una sola neurona olfativa, según el estado en curso y los estímulos que experimenta el animal", dice el autor principal Steven Flavell, profesor asociado de Lister Brothers en el Departamento de MIT. Cerebro y Ciencias Cognitivas. "Comprender cómo ocurre la integración en una célula señalará el camino de cómo puede ocurrir en general, en otras neuronas de gusanos y en otros animales".

El postdoctorado del MIT, Ian McLachlan, dirigió el estudio, que se publicó recientemente en la revista eLife. Dijo que el equipo no necesariamente sabía lo que iban a descubrir cuando comenzaron.

"Nos sorprendió descubrir que los estados internos del animal podrían tener un impacto tan grande en la expresión génica a nivel de las neuronas sensoriales; esencialmente, el hambre y el estrés causaron cambios en la forma en que el animal percibe el mundo exterior al cambiar a lo que responden las neuronas sensoriales". él dice. “También nos entusiasmó ver que la expresión de los quimiorreceptores no dependía solo de una entrada, sino que dependía de la suma total del entorno externo, el estado nutricional y los niveles de estrés. Esta es una nueva forma de pensar sobre cómo los animales codifican estados y estímulos competitivos en sus cerebros”.

De hecho, McLachlan, Flavell y su equipo no buscaron específicamente la neurona AWA o el quimiorreceptor olfativo específico, denominado STR-44. En cambio, esos objetivos surgieron de los datos imparciales que recopilaron cuando observaron qué genes cambiaron más en la expresión cuando los gusanos se mantuvieron alejados de los alimentos durante tres horas en comparación con cuando estaban bien alimentados. Como categoría, los genes de muchos receptores quimiosensoriales mostraron enormes diferencias. AWA demostró ser una neurona con una gran cantidad de estos genes regulados al alza y dos receptores, STR-44 y SRD-28, aparecieron especialmente prominentes entre ellos.


Este resultado solo mostró que un estado interno (hambre) influyó en el grado de expresión del receptor en una neurona sensorial. McLachlan y sus coautores pudieron demostrar que la expresión de STR-44 también cambió de forma independiente en función de la presencia de una sustancia química estresante, en función de una variedad de olores de alimentos y de si el gusano había recibido los beneficios metabólicos de comer alimentos. Otras pruebas dirigidas por la coautora Talya Kramer, estudiante graduada, revelaron qué olores desencadenan STR-44, lo que permitió a los investigadores demostrar cómo los cambios en la expresión de STR-44 dentro de AWA afectaron directamente el comportamiento de búsqueda de alimentos. Y aún más investigaciones identificaron los medios moleculares y de circuito exactos por los cuales estas señales variables llegan a AWA y cómo actúan dentro de la célula para cambiar la expresión de STR-44.

Por ejemplo, en un experimento, McLachlan y el equipo de Flavell demostraron que mientras tanto los gusanos alimentados como los hambrientos se moverían hacia los olores favoritos de los receptores si fueran lo suficientemente fuertes, solo los gusanos en ayunas (que expresan más del receptor) podrían detectar concentraciones más débiles. En otro experimento, descubrieron que, si bien los gusanos hambrientos disminuyen la velocidad para comer al llegar a una fuente de alimento, incluso cuando los gusanos bien alimentados pasan, pueden hacer que los gusanos bien alimentados actúen como gusanos en ayunas al sobreexpresar artificialmente STR-44. Dichos experimentos demostraron que los cambios en la expresión de STR-44 tienen un efecto directo en la búsqueda de alimento.

Otros experimentos mostraron cómo múltiples factores empujan y tiran de STR-44. Por ejemplo, descubrieron que cuando agregaron un químico que estresa a los gusanos, eso redujo la expresión de STR-44 incluso en gusanos en ayunas. Y luego demostraron que el mismo factor estresante suprimió el impulso de los gusanos de retorcerse hacia el olor al que responde STR-44. Entonces, al igual que podrías evitar seguir tu nariz a la panadería, incluso cuando tienes hambre, si ves a tu ex allí, los gusanos sopesan las fuentes de estrés contra su hambre cuando deciden acercarse a la comida. Lo hacen, según muestra el estudio, en función de cómo estas diferentes señales y estados empujan y tiran de la expresión STR-44 en AWA.

Varios otros experimentos examinaron las vías del sistema nervioso del gusano que traen señales sensoriales, de hambre y de alimentación activa a AWA. La asistente técnica Malvika Dua ayudó a revelar cómo otras neuronas sensibles a los alimentos afectan la expresión de STR-44 en AWA a través de la señalización de insulina y las conexiones sinápticas. Las pistas sobre si el gusano está comiendo activamente llegan a AWA desde las neuronas en el intestino que usan un sensor de nutrientes moleculares llamado TORC2. Estos, y la vía de detección de estrés, actuaron sobre FOXO, que es un regulador de la expresión génica. En otras palabras, todas las entradas que afectan la expresión de STR-44 en AWA lo hacían empujando y tirando de forma independiente de la misma palanca molecular.

Flavell y McLachlan señalan que vías como la insulina y TORC2 están presentes no solo en otras neuronas sensoriales de gusanos, sino también en muchos otros animales, incluidos los humanos. Además, los receptores sensoriales se regularon por el ayuno en más neuronas que solo AWA. Estas superposiciones sugieren que el mecanismo que descubrieron en AWA para integrar información probablemente esté en juego en otras neuronas y tal vez en otros animales, dice Flavell.

Y, agrega McLachlan, los conocimientos básicos de este estudio podrían ayudar a informar la investigación sobre cómo funciona la señalización intestino-cerebro a través de TORC2 en las personas.

“Esto está emergiendo como una vía importante para la señalización del intestino al cerebro en c. elegans, y espero que, en última instancia, tenga una importancia traslacional para la salud humana”, dice McLachlan.

Referencia: "Diversos estados y estímulos sintonizan los niveles de expresión del receptor olfativo para modular el comportamiento de búsqueda de alimentos" por Ian G McLachlan, Talya S Kramer, Malvika Dua, Elizabeth M DiLoreto, Matthew A Gomes, Ugur Dag, Jagan Srinivasan y Steven W Flavell, 31 agosto de 2022, ELIFE.
DOI: 10.7554 / eLife.79557


Además de McLachlan, Flavell, Kramer y Dua, los otros autores del artículo son Matthew Gomes y Ugur Dag del MIT y Elizabeth DiLoreto y Jagan Srinivasan del Instituto Politécnico de Worcester.

La Fundación JPB, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación McKnight y la Fundación Alfred P. Sloan proporcionaron fondos para el estudio.

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