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| (Nirosha Murugan, Levin lab, Tufts University and Wyss Institute at Harvard University) |
La mecanosensación interviene en la toma de decisiones espaciales de largo alcance en un organismo aneural
Los estudios sobre los mohos de baba sin cerebro revelan que utilizan señales físicas para decidir dónde crecer.
Si no tuvieras cerebro, ¿podrías saber dónde estás y navegar por tu entorno? Gracias a una nueva investigación sobre los mohos del limo, la respuesta puede ser "sí". Científicos del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard y del Allen Discovery Center de la Universidad de Tufts han descubierto que un moho del limo sin cerebro llamado Physarum polycephalum utiliza su cuerpo para percibir las señales mecánicas del entorno que le rodea y realiza cálculos similares a los que llamamos "pensamiento" para decidir en qué dirección crecer en función de esa información. A diferencia de estudios anteriores con Physarum, estos resultados se obtuvieron sin dar al organismo ningún alimento ni señales químicas que influyeran en su comportamiento. El estudio se publica en Advanced Materials.
"La gente se está interesando cada vez más en Physarum porque no tiene cerebro pero puede realizar muchos de los comportamientos que asociamos con el pensamiento, como la resolución de laberintos, el aprendizaje de cosas nuevas y la predicción de acontecimientos", afirma la primera autora, Nirosha Murugan, antigua miembro del Allen Discovery Center que ahora es profesora adjunta en la Universidad de Algoma, en Ontario (Canadá). "Averiguar cómo la vida protointeligente se las arregla para hacer este tipo de computación nos da más información sobre los fundamentos de la cognición y el comportamiento animal, incluido el nuestro".
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| En esta foto, un espécimen del moho del limo Physarum polycephalum ha elegido crecer hacia el lado de una placa de Petri con tres discos de vidrio en lugar del lado con un disco de vidrio. Crédito: Nirosha Murugan, laboratorio Levin, Universidad de Tufts e Instituto Wyss de la Universidad de Harvard |
Acción limosa a distancia
Los mohos de limo son organismos parecidos a las amebas que pueden llegar a medir varios metros de largo y ayudan a descomponer la materia en descomposición del entorno, como troncos podridos, mantillo y hojas muertas. Una sola criatura de Physarum está formada por una membrana que contiene muchos núcleos celulares que flotan dentro de un citoplasma compartido, creando una estructura llamada sincitio. El Physarum se mueve trasladando su citoplasma acuoso de un lado a otro a lo largo de todo su cuerpo en ondas regulares, un proceso único conocido como "shuttle streaming".
"En la mayoría de los animales, no podemos ver lo que cambia en el interior del cerebro cuando el animal toma decisiones. Physarum ofrece una oportunidad científica muy interesante porque podemos observar sus decisiones sobre dónde moverse en tiempo real observando cómo cambia su comportamiento de flujo de lanzadera", dijo Murugan. Aunque estudios anteriores han demostrado que Physarum se mueve en respuesta a sustancias químicas y a la luz, Murugan y su equipo querían saber si podía tomar decisiones sobre dónde moverse basándose únicamente en las señales físicas de su entorno.
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| Esta serie de fotos de lapso de tiempo muestra un espécimen de Physarum creciendo en un patrón generalizado de "amortiguación" durante ~13 horas, y luego extendiendo un largo crecimiento hacia el lado del plato con tres discos. Crédito: Nirosha Murugan, laboratorio Levin, Universidad de Tufts e Instituto Wyss de la Universidad de Harvard |
Los investigadores colocaron especímenes de Physarum en el centro de placas de Petri recubiertas con un gel de agar semiflexible y colocaron uno o tres pequeños discos de cristal uno al lado del otro sobre el gel en lados opuestos de cada placa. A continuación, dejaron que los organismos crecieran libremente en la oscuridad durante 24 horas y siguieron sus patrones de crecimiento. Durante las primeras 12 a 14 horas, los Physarum crecieron hacia fuera de forma uniforme en todas las direcciones; después, sin embargo, los especímenes extendieron una larga rama que creció directamente sobre la superficie del gel hacia la región de los tres discos el 70% del tiempo. Sorprendentemente, el Physarum eligió crecer hacia la masa mayor sin explorar primero físicamente la zona para confirmar que efectivamente contenía el objeto mayor.
¿Cómo logró esta exploración de su entorno antes de ir físicamente a él? Los científicos estaban decididos a averiguarlo.
Todo es relativo
Los investigadores experimentaron con diversas variables para ver cómo afectaban a las decisiones de crecimiento del Physarum, y observaron algo inusual: cuando apilaban los mismos tres discos uno encima de otro, el organismo parecía perder su capacidad de distinguir entre los tres discos y el disco único. Creció hacia ambos lados del plato a un ritmo prácticamente igual, a pesar de que los tres discos apilados seguían teniendo mayor masa. Está claro que el Physarum utilizaba otro factor, además de la masa, para decidir dónde crecer.
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| En este GIF, un espécimen del moho del limo Physarum polycephalum ha elegido crecer hacia el lado de una placa de Petri con tres discos de vidrio en lugar del lado con un disco de vidrio. Crédito: Nirosha Murugan, laboratorio Levin, Universidad de Tufts e Instituto Wyss de la Universidad de Harvard |
Para averiguar la pieza que faltaba en el rompecabezas, los científicos utilizaron un modelo informático para crear una simulación de su experimento y explorar cómo el cambio de la masa de los discos repercutiría en la cantidad de tensión (fuerza) y deformación (deformación) aplicada al gel semiflexible y al Physarum en crecimiento adherido. Como esperaban, las masas más grandes aumentaban la cantidad de tensión, pero la simulación reveló que los patrones de tensión que producían las masas cambiaban, dependiendo de la disposición de los discos.
"Imagina que vas conduciendo por la autopista de noche y buscas un pueblo en el que parar. Ve dos disposiciones diferentes de la luz en el horizonte: un único punto brillante y un grupo de puntos menos brillantes. Mientras que el punto único es más brillante, el grupo de puntos ilumina un área más amplia que probablemente indique una ciudad, por lo que se dirige a ella", explica el coautor Richard Novak, doctor e ingeniero jefe del Instituto Wyss. "Los patrones de luz en este ejemplo son análogos a los patrones de tensión mecánica producidos por diferentes disposiciones de la masa en nuestro modelo. Nuestros experimentos confirmaron que Physarum puede percibirlos físicamente y tomar decisiones basadas en los patrones y no simplemente en la intensidad de la señal".
La investigación del equipo demostró que esta criatura sin cerebro no se limitaba a crecer hacia lo más pesado que podía percibir, sino que tomaba una decisión calculada sobre dónde crecer basándose en los patrones relativos de tensión que detectaba en su entorno.
¿Pero cómo detectaba estos patrones de tensión? Los científicos sospechan que tiene que ver con la capacidad de Physarum de contraerse y tirar rítmicamente de su sustrato, porque la pulsación y la detección de los cambios resultantes en la deformación del sustrato permiten al organismo obtener información sobre su entorno. Otros animales tienen proteínas de canal especiales en sus membranas celulares, denominadas proteínas similares a las TRP, que detectan el estiramiento, y el coautor y director fundador del Instituto Wyss, el doctor Donald Ingber, había demostrado previamente que una de estas proteínas TRP media la mecanosensibilidad en las células humanas. Cuando el equipo creó un potente fármaco bloqueador del canal TRP y lo aplicó a Physarum, el organismo perdió su capacidad de distinguir entre masas altas y bajas, seleccionando sólo la región de masa alta en el 11% de los ensayos y seleccionando tanto las regiones de masa alta como las de masa baja en el 71% de los ensayos.
"Nuestro descubrimiento del uso de la biomecánica por parte de este moho del limo para sondear y reaccionar ante el entorno que le rodea subraya lo temprano que evolucionó esta capacidad en los organismos vivos, y lo estrechamente relacionados que están la inteligencia, el comportamiento y la morfogénesis. En este organismo, que crece para interactuar con el mundo, su cambio de forma es su comportamiento. Otras investigaciones han demostrado que las células de animales más complejos, como las neuronas, las células madre y las células cancerosas, utilizan estrategias similares. Este trabajo en Physarum ofrece un nuevo modelo en el que explorar las formas en las que la evolución utiliza la física para implementar la cognición primitiva que impulsa la forma y la función", dijo el autor correspondiente Mike Levin, Ph.D., un miembro de la Facultad de Wyss que también es la Cátedra Vannevar Bush y sirve y director del Centro de Descubrimiento Allen en la Universidad de Tufts.
El equipo de investigación sigue trabajando con Physarum, y entre otras cosas investiga en qué momento toma la decisión de cambiar su patrón de crecimiento, pasando de un muestreo generalizado de su entorno a un crecimiento dirigido hacia un objetivo. También están explorando cómo otros factores físicos, como la aceleración y el transporte de nutrientes, podrían afectar al crecimiento y el comportamiento de Physarum.
"Este estudio confirma una vez más que las fuerzas mecánicas desempeñan un papel tan importante en el control del comportamiento y el desarrollo de las células como las sustancias químicas y los genes, y el proceso de mecanosensación descubierto en este sencillo organismo sin cerebro es sorprendentemente similar al que se observa en todas las especies, incluidos los seres humanos", dijo Ingber. "Así, una comprensión más profunda de cómo los organismos utilizan la información biomecánica para tomar decisiones nos ayudará a entender mejor nuestros propios cuerpos y cerebros, y quizás incluso nos proporcione una visión de nuevas formas de computación bioinspiradas". Ingber es también profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Hospital Infantil de Boston, y profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.
Fuentes, creditos y referencias:
Referencia: "La mecanosensación interviene en la toma de decisiones espaciales de largo alcance en un organismo aneural" 15 de julio de 2021, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202008161
Traido gracias a SciTechDaily