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| Vista lateral de una Kaili Leanchoilia que muestra su distintivo escudo de cabeza seguido de 11 segmentos que terminan en una "cola" triangular. La barra de escala es de 2 milímetros. Crédito: Nicholas Strausfeld |
Los fósiles exquisitamente conservados que dejaron criaturas que vivieron hace más de 500 millones de años revelan con gran detalle estructuras idénticas que los investigadores han planteado desde hace tiempo que debieron contribuir al cerebro arquetípico que han heredado todos los artrópodos. Los artrópodos son el grupo taxonómico de animales más diverso y rico en especies, e incluyen insectos, crustáceos, arañas y escorpiones, así como otros linajes menos conocidos, como los milpiés y los ciempiés.
Los fósiles, pertenecientes a un artrópodo conocido como Leanchoilia, confirman la presencia -prevista por estudios anteriores de genética y biología del desarrollo de embriones de insectos y arañas- de un dominio frontal extremo del cerebro que no está segmentado y es invisible en los artrópodos adultos modernos. A pesar de ser invisible, este dominio frontal da lugar a varios centros neuronales cruciales en el cerebro de los artrópodos adultos, incluyendo células madre que eventualmente proporcionan centros involucrados en la toma de decisiones y la memoria. La hipótesis de que este dominio frontal es distinto del cerebro anterior, el cerebro medio y el cerebro posterior que se observan en los artrópodos vivos, y se le dio el nombre de prosocerebro, ya que "proso" significa "frontal".
Descritos en un artículo publicado hoy en la revista Current Biology, los fósiles proporcionan la primera evidencia de la existencia de esta región cerebral prosocerebral discreta, que tiene un legado que aparece durante el desarrollo embrionario de los artrópodos modernos, según el autor principal del artículo, Nicholas Strausfeld, profesor de neurociencia de la Universidad de Arizona.
"Los extraordinarios fósiles que describimos no se parecen a nada que se haya visto antes", dijo Strausfeld. "Dos sistemas nerviosos, ya de por sí únicos por estar idénticamente conservados, muestran que hace 500 millones de años esta región cerebral más anterior estaba presente y era estructuralmente distinta antes de la aparición evolutiva de los tres ganglios segmentarios que denotan el cerebro anterior, medio y posterior".
El término ganglio se refiere a un sistema de redes que forman un centro nervioso que se da en cada segmento del sistema nervioso de un artrópodo. En los artrópodos vivos, los tres ganglios que marcan el cerebro tripartito se condensan para formar una masa sólida, lo que oculta su origen evolutivo como estructuras segmentadas.
Los fósiles de tejido cerebral son extremadamente raros
Descubiertos en depósitos de la formación Kaili -una formación geológica de la provincia de Guizhou, en el suroeste de China-, los restos fósiles de Leanchoilia se remontan al periodo Cámbrico, hace unos 508 millones de años. Los fósiles de Kaili se encuentran en rocas sedimentarias con altas concentraciones de hierro, cuya presencia probablemente ayudó a preservar los tejidos blandos, que posteriormente fueron sustituidos por depósitos de carbono.
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| Vista de la parte anterior del fósil fotografiada con luz directa y mostrando las huellas oscuras de los ojos laterales, el prosocerebro (las huellas más claras) y los ganglios segmentarios. La barra de escala equivale a 2 milímetros. Crédito: Nicholas Strausfeld |
"Los fósiles de Kaili nos abren una ventana para vislumbrar la evolución del plan corporal de los animales que vivieron hace más de 500 millones de años", dijo el primer autor del artículo, Tian Lan, del Centro de Investigación de Paleobiología de la Universidad de Guizhou (China). "Por primera vez, ahora sabemos que los fósiles de artrópodos de la formación Kaili tienen el potencial de preservar tejido neural que nos muestra el cerebro primitivo de los primeros artrópodos madre existentes en los albores del mundo animal".
"Los sistemas nerviosos, al igual que otros tejidos blandos, son difíciles de fosilizar", añadió el coautor Pedro Martínez, de la Universitat de Barcelona y el Institut Catalá en Barcelona, España. "Esto hace que el estudio de la evolución temprana de los sistemas nerviosos sea una tarea difícil".
Los fósiles también arrojan nueva luz sobre el origen evolutivo de dos sistemas visuales distintos en la evolución de los artrópodos: los pares de ojos que miran hacia delante o los que miran hacia los lados, cuyos descendientes siguen presentes en las especies que viven hoy en día.
Muchos artrópodos, entre ellos los insectos y los crustáceos, tienen un par bilateral de ojos compuestos facetados y otro conjunto de ojos menos obvios -con una arquitectura más primitiva- conocidos como ojos de nauplio u ocelos. Estos son estructuralmente similares a los ojos principales de las arañas y los escorpiones. Estos ojos más sencillos se corresponden con los ojos delanteros del prosocerebro en Leanchoilia, en consonancia con las pruebas obtenidas por estudios anteriores que analizan los patrones de expresión génica durante el desarrollo embrionario de los artrópodos vivos.
Los ojos laterales de Leanchoilia, por otro lado, se relacionan con el protocerebro, que es el ganglio segmentario que define el cerebro anterior de los artrópodos, y que se encuentra justo detrás del prosocerebro. En los artrópodos vivos, el protocerebro proporciona los ojos compuestos de los insectos y crustáceos, o los ojos laterales de un solo lente de los arácnidos, ciempiés y milpiés. Los centros visuales que sirven a esos ojos también pertenecen a la región protocerebral del cerebro.
Strausfeld explicó que, en los artrópodos vivos, el protocerebro, o cerebro anterior, ha incorporado -en cierto modo, engullido- los antiguos centros proporcionados por el prosocerebro, de modo que ya no es discernible como una entidad anatómica distinta.
Los fósiles están tan bien conservados que demuestran que, además de los ojos frontales, el prosocéfalo también ha dado lugar a los ganglios asociados al labrum, o "labio superior", de los artrópodos modernos. Los fósiles también confirman una hipótesis anterior que sugería que el labrum debía haber evolucionado originalmente a partir de los apéndices de agarre de Radiodonta, un grupo de artrópodos de tallo que eran los principales depredadores durante el período Cámbrico.
"Cuando se compara con otro material fósil similar perteneciente a linajes más avanzados, la organización del cerebro de Leanchoilia demuestra que la disposición ganglionar del cerebro primitivo sufrió una condensación y fusión de sus componentes, lo que explica por qué en las especies vivas el prosocéreo no puede distinguirse individualmente", dijo Strausfeld.
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Reconstruction
of the brain and segmental nervous system showing the forward eye pair
extending from the prosocerebrum, the sideward eyes from the
protocerebrum, and four segmental ganglia. Farther back, within the
trunk, each segment is equipped with a pair of ganglia that together are
linked by a nerve cord extending the length of the body. The blue
shaded areas indicate preserved gut tissue. Scale bar represents 2
millimeters. Credit: Nicholas Strausfeld |
Implicaciones para la evolución del cerebro de los vertebrados
Además de cerrar una brecha centenaria en la comprensión de la evolución del cerebro de los artrópodos, los hallazgos tienen importantes implicaciones para la evolución temprana del cerebro de los vertebrados, dijo Strausfeld.
Aunque los animales simples, parecidos a los peces, existieron en la misma época que estos artrópodos ahora fosilizados, no hay fósiles convincentes de sus cerebros y, por tanto, ni pruebas fósiles ni anatómicas de un prosocébro en los vertebrados. Sin embargo, los estudios modernos muestran que los genes que definen los cerebros anterior, medio y posterior de, por ejemplo, los ratones, se corresponden con los genes que definen las tres divisiones ganglionares del cerebro de los artrópodos. Y en los vertebrados, ciertos centros cruciales implicados en la toma de decisiones y en el aprendizaje y la memoria tienen algunas correspondencias genéticas con los centros superiores del cerebro de los artrópodos, que se originaron en el antiguo prosocéfalo de los artrópodos.
Por lo tanto, es plausible que incluso antes del período Cámbrico, posiblemente incluso antes de la evolución de los planes corporales segmentados, el ancestro común de los vertebrados e invertebrados poseyera circuitos básicos para la cognición simple y la toma de decisiones. Y aunque un antiguo cerebro de tipo prosocerebral podría haber estado presente en los primeros ancestros de los vertebrados, ningún fósil de este tipo ha sugerido siquiera pruebas de un dominio discreto y no segmentado.
"No obstante, se puede especular razonablemente con que los vertebrados tienen incrustadas en sus cerebros 'modernos' partes de un antiguo cerebro no segmentado que hasta ahora sólo se ha podido demostrar en un artrópodo primitivo, como Leanchoilia", dijo Strausfeld.
Fuentes, créditos y referencias:
Tian Lan et al, Leanchoiliidae reveals the ancestral organization of the stem euarthropod brain, Current Biology (2021). DOI: 10.1016/j.cub.2021.07.048