Un estudio recientemente, publicado en la revista PLOS Biology, ofrece información que cambia sustancialmente la idea que se tenía sobre el proceso de formación del cerebro de los vertebrados y arroja luz sobre cómo podría haber evolucionado. Para llevar a cabo la investigación se ha utilizado como modelo el cerebro de un organismo no vertebrado, el anfioxo.
Los resultados revelan que la interpretación prevalente hasta el momento sobre cuáles son las principales regiones formadas al inicio del desarrollo del cerebro de los vertebrados no sería adecuada.Para llevar a cabo la investigación se ha utilizado como modelo el cerebro de un organismo no vertebrado (similar a un filete de anchoa), el anfioxo, que se sitúa en una rama del árbol evolutivo muy próximo al origen de los vertebrados.
Gracias a los datos obtenidos, los investigadores han realizado por primera vez un mapa detallado de las regiones en las que se divide el cerebro de esta especie, que vive en el fondo marino y tiene una vida muy simple. “El trabajo muestra por primera vez un mapa detallado de las regiones en las que se divide el cerebro de uno de los organismos más emparentados con los vertebrados, y que podría darnos una idea de cómo era nuestro ancestro”.
“Nos propusimos entender como era el cerebro del cefalocordado anfioxo. Éste es un organismo no vertebrado muy simple, pero a su vez muy emparentado evolutivamente con nosotros, por lo que nos da pistas de cómo podrían haber sido nuestros ancestros. Por tanto, comparando los territorios que presenta el cerebro de los vertebrados modernos con el del anfioxo, analizamos qué puede haber ocurrido para que se hayan multiplicado y cómo se haya formado una estructura tan compleja durante nuestra evolución”, explica el profesor del Departamento de Anatomía Humana y Psicobiología de la Universidad de Murcia (UMU) José Luis Ferrán, uno de los investigadores a cargo del trabajo.
La investigación ha sido dirigida conjuntamente por los investigadores José Luis Ferran y Luis Puelles, del Departamento de Anatomía Humana y Psicobiología de la UMU; Manuel Irimia, del Centro de Regulación Genómica; y Jordi García Fernández, del Instituto de Biomedicina de la Universidad de Barcelona (IBUB).
Un nuevo modelo que desmonta muchas de las ideas anteriores
Este trabajo demuestra que el cerebro de los vertebrados se habría formado inicialmente a partir de dos regiones (anterior y posterior), y no de tres (un cerebro anterior, uno medio y uno posterior) como propone el modelo actual prosomérico. “En esta investigación, la genoarquitectura es el eje de referencia experimental para determinar la regionalización del tubo neural del anfioxo y compararlo con el sistema nervioso de vertebrados. Con esta visión, se ha generado un mapa molecular de patrones de expresión de genes en el anfioxo cuyos ortólogos estarían implicados en vertebrados en el establecimiento y regionalización del sistema nervioso”, detalla la investigadora Beatriz Albuixech-Crespo del Departamento de Genética, Microbiología y Estadística de la Universida de Barcelona (UB) y el IBUB, primera firmante del estudio.
En los anfioxos no se ha detectado corteza cerebral ni una región exclusiva que dé lugar a la formación del cerebro medio de los vertebrados. Sin embargo, se ha encontrado un territorio común dentro del cerebro anterior, al que han denominado DiMes, del que derivaría tanto el cerebro medio como otras importantes estructuras del cerebro anterior clásico. “Del territorio DiMes surgieron tres importantes regiones del cerebro de los vertebrados que sirven para procesar información sensorial”
“Fruto de la aparición de centros de señalización molecular que provocan la expansión y partición de la porción DiMes habrían surgido evolutivamente las tres clásicas regiones cerebrales de los vertebrados (tálamo, pretectum y cerebro medio)”, indica Manuel Irimia del Centro de Regulación Genómica de Barcelona (CRG) y uno de los investigadores responsable del trabajo, que explica que si se elimina la función de estos centros de señalización en vertebrados queda un único territorio similar al observado en los anfioxos.
El estudio de la formación de estas tres importantes partes del cerebro, que sirven a los vertebrados para procesar información visual, auditiva o propioceptiva (sobre la posición y el movimiento de las partes del cuerpo), es útil para comprender cómo el cerebro se ha adaptado al ambiente y ha sido capaz de procesar la información que le rodeaba.
La idea de que estas regiones se formaron de modo independiente y que cada una de ellas ha dado lugar a otras regiones se ha demostrado errónea. “El cerebro no ha evolucionado de forma aislada, sino que lo ha hecho a causa de la interacción de estos animales primitivos con el ambiente”, aclara el profesor de la UMU.
En resumen, ambos cerebros, el del anfioxo y el de los vertebrados, están divididos en dos regiones principales: una anterior y una posterior. En el caso del anfioxo se observa que la región anterior se habría partido en dos dominios, mientras que en los vertebrados estaría dividida en muchas más porciones, incluyendo las tres regiones citadas que corresponderían conjuntamente a una de las partes del anfioxo.
Conocer la verdadera historia de la formación del cerebro y la composición de sus estructuras puede tener importantes repercusiones a largo plazo porque podría “servir para explicar porque una región se ve alterada tanto es su composición como en su función. Por ejemplo, podría ayudarnos a comprender mejor las enfermedades relacionadas con el cerebro y porque algunas regiones se ven afectadas conjuntamente y otras no”, concluye Irimia. “Conocer la verdadera historia de la formación del cerebro y la composición de sus estructuras puede ayudar a comprender mejor las enfermedades relacionadas con el cerebro”.
La estructura del cerebro es el resultado de un proceso evolutivo
El cerebro de los humanos ha sufrido un proceso evolutivo que comenzó a diseñarse hace 500 millones de años en los animales marinos que vivían inmersos en la arena y que dio origen al primer plan de construcción de su sistema nervioso central. Este sistema se ha modificado progresivamente y es compartido por todos los vertebrados modernos.
El estudio de las redes de genes que han dado identidad a las distintas regiones del cerebro es clave para comprender como han evolucionado. Por eso, la genoarquitectura es una potente herramienta para detallar las regiones del sistema nervioso, las células y sus estructuras, que permite determinar qué genes están activos en cada territorio o región durante el desarrollo y caracterizar los límites entre ellos así como definir cuántos componentes diferentes se originan a partir de cada región con gran precisión. Por tanto, es útil para ayudarnos a reconocer en detalle cómo el cerebro de un humano se parece al de otro vertebrado.
Referencia bibliográfica:
Albuixech-Crespo et al. (2017) "Molecular regionalization of the developing amphioxus neural tube challenges major partitions of the vertebrate brain". PLoS Biol 15(4): e2001573. https://doi.org/10.1371/journal. pbio.2001573
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