Mapeo de los circuitos celulares detrás del asador

Durante más de una década, los investigadores han sabido que la lombriz intestinal Caenorhabditis elegans puede detectar y evitar la luz de longitud de onda corta, a pesar de la falta de ojos y las moléculas absorbentes de luz necesarias para la visión. Como estudiante de posgrado en el laboratorio de Horvitz, Nikhil Bhatla propuso una explicación para esta habilidad. Señaló que la exposición a la luz no solo hacía que los gusanos se retorcieran, sino que también les hacía dejar de comer. Esa pista lo llevó a una serie de estudios que sugirieron que sus sujetos retorcidos no estaban viendo la luz, estaban detectando los químicos dañinos que producía, como el peróxido de hidrógeno. Poco después, el laboratorio de Horvitz se dio cuenta de que los gusanos no solo experimentan las sustancias químicas desagradables que genera la luz, sino que también las escupen.

Ahora, en un estudio publicado en eLife, un equipo dirigido por el reciente estudiante graduado Steve Sando Ph.D. ’20 informa sobre el mecanismo detrás del escupir en C. elegans. Las células musculares individuales generalmente se consideran las unidades más pequeñas que las neuronas pueden controlar de forma independiente, pero los hallazgos de los investigadores desafían esa suposición. En el caso de escupir, determinaron que las neuronas pueden apuntar a subregiones especializadas de una sola célula muscular para generar múltiples movimientos, ampliando nuestra comprensión de cómo las neuronas controlan las células musculares para moldear el comportamiento.

«Steve hizo el notable descubrimiento de que la contracción de una pequeña región de una célula muscular específica puede desacoplarse de la contracción del resto de la misma célula», dice H. Robert Horvitz, profesor de biología David H. Koch en el MIT, miembro de el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro y el Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer, Investigador del Instituto Médico Howard Hughes y autor principal del estudio. «Además, Steve descubrió que estos compartimentos musculares subcelulares pueden ser controlados por neuronas para alterar drásticamente el comportamiento».

Los gusanos redondos son como aspiradoras que se mueven aspirando bacterias. La boca del gusano, también conocida como faringe, es un tubo muscular que contiene la comida, la mastica y luego la transfiere al intestino a través de una serie de contracciones «bombeadas».

Los investigadores saben desde hace más de una década que los gusanos huyen de la luz ultravioleta, violeta o azul. Pero Bhatla descubrió que esta luz también interrumpe el constante bombeo de la faringe, porque el sabor que produce la luz es tan desagradable que los gusanos dejan de alimentarse. Mirando más de cerca, Bhatla se dio cuenta de que la respuesta de los gusanos en realidad era bastante matizada. Después de una pausa inicial, la faringe comienza a bombear brevemente de nuevo en ráfagas cortas antes de detenerse por completo, casi como si el gusano masticara un poco, incluso después de saborear la luz desagradable. A veces, una burbuja se escapaba de la boca, como un eructo.

Después de unirse al proyecto, Sando descubrió que los gusanos ni eructaban ni continuaban masticando. En cambio, las «bombas que explotaron» condujeron material en la dirección opuesta, desde la boca hasta el entorno local, en lugar de volver a la faringe y el intestino. En otras palabras, la luz de mal sabor hizo que los gusanos escupieran. Luego, Sando pasó años persiguiendo sus objetos alrededor del microscopio con luz brillante y registrando sus acciones en cámara lenta para ubicar los circuitos neuronales y los movimientos musculares necesarios para este comportamiento.

“El descubrimiento de que los gusanos escupían fue bastante sorprendente para nosotros, porque la boca parecía moverse como cuando mastica”, dice Sando. «Resulta que realmente necesitabas acercar y alejar la imagen para ver qué está pasando porque los animales son muy pequeños y el comportamiento está sucediendo muy rápido».

Para analizar lo que está sucediendo en la faringe para producir este movimiento de escupir, los investigadores utilizaron un pequeño rayo láser para extirpar quirúrgicamente células nerviosas y musculares individuales de la boca y discernir cómo esto afectaba el comportamiento del gusano. También controlaron la actividad de las células en la boca marcándolas con proteínas «informadoras» fluorescentes especialmente diseñadas.

Vieron que mientras el gusano se alimenta, tres células musculares en la parte frontal de la faringe, llamadas pm3, se contraen y se relajan juntas en pulsos sincronizados. Pero una vez que el gusano sabe a luz, las subregiones de estas células individuales más cercanas al frente de la boca se bloquean en un estado de contracción, abriendo el frente de la boca y permitiendo que el material sea expulsado. Esto invierte la dirección del flujo del material ingerido y convierte el alimento en saliva.

El equipo determinó que este fenómeno de «desacoplamiento» está controlado por una sola neurona en la parte posterior de la boca del gusano. Llamada M1, esta célula nerviosa estimula un influjo localizado de calcio en el extremo anterior del músculo PM3, probablemente responsable de desencadenar las contracciones subcelulares.

M1 transmite información importante como una centralita. Recibe señales de muchas neuronas diferentes y transmite esta información a los músculos involucrados en escupir. Sando y su equipo sospechan que la intensidad de la señal recibida puede ajustar el comportamiento del gusano en respuesta al sabor de la luz. Por ejemplo, sus hallazgos sugieren que un sabor repulsivo provoca un enjuague bucal vigoroso, mientras que una sensación levemente desagradable hace que el gusano escupe más suavemente, lo suficiente para expulsar el contenido.

En el futuro, Sando cree que el gusano se puede utilizar como modelo para estudiar cómo neuronas desencadenan subregiones de células musculares para restringir y dar forma al comportamiento, un fenómeno que sospechan ocurre en otros animales, posiblemente incluidos los humanos.

«Básicamente, encontramos una nueva forma de que una neurona mueva un músculo», dice Sando. «Las neuronas orquestan los movimientos de los músculos, y esta podría ser una nueva herramienta que les permita ejercer un tipo de control sofisticado. Esto es muy emocionante».