Arriba: Vista lateral de la cámara digestiva de una esponja de mar
Carecen de cerebro, pero tienen genes sinápticos activos en partes específicas de su cuerpo
A pesar de su importancia central, los orígenes del cerebro aún no se han descubierto. Los primeros cerebros de animales aparecieron hace cientos de millones de años. Hoy en día, solo las especies animales más primitivas, como las esponjas acuáticas, carecen de cerebro. Paradójicamente, estas especies pueden tener la clave para desvelar el misterio de cómo evolucionaron las neuronas y los cerebros.
Las neuronas individuales del cerebro se comunican mediante sinapsis. Estas conexiones entre las células se encuentran en el corazón de la función cerebral y están reguladas por varios genes diferentes. Las esponjas no tienen estas sinapsis, pero su genoma aún codifica muchos de los genes sinápticos. Los científicos del European Molecular Biology Laboratory (EMBL) se preguntaron por qué podría ser este el caso.
"Sabemos que estos genes sinápticos están involucrados en la función neuronal en animales superiores. Encontrarlos en especies primitivas como esponjas plantea la pregunta: si estos animales no tienen cerebro, ¿cuál es el papel de estos genes?", dijo Detlev Arendt, líder del grupo EMBL y científico senior de EMBL Heidelberg. "Tan simple como suena, responder a esta pregunta estaba hasta ahora más allá de nuestras habilidades tecnológicas".
Para estudiar el papel de estos genes sinápticos en las esponjas, el laboratorio de Arendt estableció tecnologías de microfluidos y genómicas en la esponja de agua dulce Spongilla lacustris. Usando estas técnicas, los científicos capturaron células individuales de varias esponjas dentro de gotitas de microfluidos y luego perfilaron la actividad genética de cada célula.
Vídeo: Las células neuroides (púrpura y rojo) envían brazos celulares para contactar y comunicarse con células digestivas específicas en la cámara digestiva de la esponja (azul, verde, amarillo). Otras células de la cámara digestiva se muestran en gris. Crédito: Jacob Musser, Giulia Mizzon, Constantin Pape, Nicole Schieber/EMBL
"Demostramos que ciertas células en las cámaras digestivas de las esponjas activan los genes sinápticos. Entonces, incluso en un animal primitivo que carece de sinapsis, los genes sinápticos están activos en partes específicas de su cuerpo", dijo Jacob Musser, científico investigador del grupo Arendt y autor principal del estudio.
Las esponjas usan sus cámaras digestivas para filtrar los alimentos del agua e interactuar con los microbios ambientales. Para comprender qué hacen las células que expresan genes sinápticos, el grupo Arendt unió fuerzas con seis equipos EMBL, así como con colaboradores en Europa y en todo el mundo.
Trabajando con la instalación central de microscopía electrónica del EMBL, el equipo de Yannick Schwab y el grupo de Thomas Schneider que opera líneas de luz de sincrotrón en EMBL Hamburgo, los investigadores desarrollaron un nuevo enfoque de imágenes correlativas. "Combinando microscopía electrónica con imágenes de rayos X en una línea de luz de sincrotrón pudimos visualizar el asombroso comportamiento de estas células", explicó el Dr. Schwab.
Imagen: La célula neuroide de esponja (naranja) extiende los brazos que envuelven el aparato de alimentación de una célula digestiva de esponja (verde) para crear un vínculo para la comunicación dirigida. La imagen se tomó mediante microscopía electrónica. Crédito: Jacob Musser, Giulia Mizzon, Constantin Pape, Nicole Schieber/EMBL
Los científicos capturaron instantáneas tridimensionales de células que se arrastraban por la cámara digestiva para eliminar las bacterias invasoras y enviar largos brazos que envuelven el aparato de alimentación de células digestivas específicas. Este comportamiento crea una interfaz para la comunicación dirigida célula-célula, como también ocurre a través de las sinapsis entre las células neuronales de nuestro cerebro.
¿Qué debemos hacer con el hecho de que las células neuroides estén en el sistema digestivo de las esponjas? Arendt y Musser dicen que existe una creciente evidencia de que algunas neuronas evolucionaron a partir de células digestivas . "Hay neuronas en una variedad de diferentes animales que comparten muchas características con las células digestivas e incluso provienen de algunos de los mismos precursores embrionarios", dice Arendt. Sin embargo, otras neuronas tienen más en común con las células que se contraen, como las células musculares, y pueden representar un origen separado de neuronas.
"Nuestros resultados apuntan a que las células regulan la alimentación y controlan el entorno microbiano como posibles precursores evolutivos de los primeros cerebros animales", dijo el Dr. Musser.
Los hallazgos se publican hoy en la revista Science: Profiling cellular diversity in sponges informs animal cell type and nervous system evolution
