Los pinnípedos tienen una vía neuronal que vincula la vocalización directamente con las neuronas que controlan la laringe
Los neurocientíficos han descubierto nuevos conocimientos sobre una cuestión evolutiva clave: ¿Por qué los humanos pueden hablar cuando la mayoría de los animales no?. La investigación fue dirigida por la Universidad Emory y el New College de Florida.
Los hallazgos sugieren que las focas y los leones marinos podrían tener flexibilidad vocal como consecuencia del desarrollo de una derivación cerebral para el control voluntario de la respiración. Esta misma derivación les permitió adaptarse a la vida acuática.
El estudio comparativo examinó los cerebros de los coyotes junto con los de los leones marinos, los elefantes marinos y las focas comunes, carnívoros marinos con distintos grados de control vocal que son primos evolutivos de los caninos.
Las focas se encuentran entre las pocas especies animales conocidas que poseen una gran flexibilidad vocal que les permite imitar las voces humanas. Los leones marinos también han demostrado una buena plasticidad vocal a una escala más limitada. Sin embargo, se desconocía la neurobiología de estas capacidades.
El autor principal Gregory Berns, profesor de psicología de Emory, y el primer autor Peter Cook, ex becario postdoctoral de Emory, utilizaron la técnica de imágenes por resonancia magnética (IRM) de difusión en cerebros de animales post mortem, lo que les proporcionó una visión de las vías neuronales conectivas entre especies.
Todos los cerebros utilizados en el estudio procedían de animales salvajes que murieron de forma natural en centros de rehabilitación o tuvieron que ser sacrificados debido a lesiones.
Los resultados mostraron que, en los coyotes, el mesencéfalo, asociado con importantes comportamientos automáticos para la supervivencia, como respirar, tragar y reacciones a amenazas, controla los grupos de células del tronco encefálico que envían señales a los músculos utilizados para la vocalización.
Sin embargo, el cerebro de los mamíferos marinos tiene una conexión directa entre la corteza motora vocal y los grupos de células que controlan los músculos vocales. Esta conexión no pasa por la región del mesencéfalo.
Los investigadores plantean la hipótesis de que la mayoría de los animales carecen de flexibilidad vocal debido a su incapacidad de "desbloquear" este mecanismo de respuesta automática a la vocalización.
Imagen derecha: Mapa de la red cerebral de materia blanca con código de colores, obtenido mediante resonancia magnética de difusión de un león marino de California. Crédito: Peter Cook/NOAA/NMFS (número de permiso para la adquisición cerebral: 18786).
Las focas y los leones marinos han relajado este control automático gracias al desarrollo de exquisitas capacidades de respiración y deglución, lo que les permite cazar y comer bajo el agua. Los leones marinos, por ejemplo, pueden permanecer bajo el agua un promedio de 10 a 20 minutos, mientras que algunas especies de focas pueden sumergirse hasta dos horas sin salir a la superficie.
"Hemos descubierto una receta ecológica para que un mamífero desarrolle un cerebro vocalmente flexible", afirma Cook, quien ahora es profesor asociado de ciencias de mamíferos marinos en el New College de Florida.
"Al ampliar el alcance y utilizar estas técnicas de neuroimagen para comparar más especies de mamíferos predispuestas a tener flexibilidad vocal con aquellas que no la tienen, podríamos ser capaces de construir un árbol evolutivo del lenguaje", añade Berns.
Mapeo de la conectividad cerebral
Las resonancias magnéticas revelan información sobre la arquitectura cerebral, conocida como materia gris. La resonancia magnética de difusión proporciona información sobre cómo se mueven las moléculas a través de los tejidos biológicos, mapeando las vías conectivas del cerebro, conocidas como materia blanca.
La técnica de utilizar la resonancia magnética de difusión en un cerebro inerte fue desarrollada por la coautora Karla Miller, de la Universidad de Oxford, para estudiar la enfermedad de Alzheimer en cerebros humanos. "Como los cerebros inertes no se mueven y no les importa permanecer inmóviles durante horas, podemos obtener datos de altísima calidad", explica Miller.
Desde entonces, la técnica se ha utilizado en algunos estudios con primates y roedores.
Imagen derecha: El cerebro del león marino visto en la imagen de resonancia magnética de difusión desde la misma perspectiva descendente. Crédito: Eva Sawyer. NOAA/NMFS (número de permiso para la adquisición del cerebro: 18786)
Berns fue pionero en el uso de la resonancia magnética de difusión en diversos animales, incluyendo cerebros conservados en colecciones de museos. En 2017, dirigió un estudio que mapeó con éxito la conectividad cerebral de dos extintos tilacinos, o tigres de Tasmania. Los cerebros habían permanecido almacenados en formaldehído durante más de 100 años.
"Creo que tenemos el récord de obtención de datos de resonancia magnética de difusión de los especímenes cerebrales más antiguos", afirma Berns.
Cook llegó al laboratorio de Berns desde el Instituto de Ciencias Marinas de la Universidad de California, Santa Cruz, donde estudió la neurobiología y el comportamiento de los pinnípedos, mamíferos marinos carnívoros con aletas, entre los que se incluyen las focas, los leones marinos y las morsas.
Mucha gente tiene la impresión de que las focas y los leones marinos son simplemente gordas y peludas babosas, tumbadas en la playa y ladrando, dice Cook.
En realidad, añade, son animales inteligentes con cerebros de tamaño similar al de los chimpancés.
"Disfruto mucho enseñándoles ejercicios de audición y memoria", dice Cook. "Tienen un gran impulso para aprender cosas nuevas y son rápidos en adquirir nuevos comportamientos".
Tanto Berns como Cook estaban intrigados por las singulares capacidades vocales de estos mamíferos marinos, que ofrecen una oportunidad única para estudiar la destreza vocal en un animal no humano.
Hoover, una foca común que podía imitar el acento bostoniano de su cuidador, es el ejemplo más famoso de esta plasticidad. Más recientemente, investigadores de la Universidad de St. Andrews, Escocia, entrenaron a focas grises para imitar voces humanas tarareando "Estrellita" y el tema de "La Guerra de las Galaxias".
Los investigadores decidieron utilizar la resonancia magnética de difusión para obtener una perspectiva neurobiológica sobre cómo esta flexibilidad vocal pudo haberse desarrollado en los pinnípedos.
Adquirieron cerebros de cuatro leones marinos de California, cuatro focas comunes y tres elefantes marinos del norte que murieron por causas naturales o tuvieron que ser sacrificados en un centro de rehabilitación veterinaria de California. Compararon esos cerebros con los de cuatro coyotes que tuvieron que ser sacrificados en una instalación del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos en Utah.
Con datos cerebrales en mano, los investigadores mapearon minuciosamente circuitos específicos relacionados con el control y el aprendizaje vocal. Identificaron y delinearon cuidadosamente las 15 regiones relevantes en el cerebro de cada animal. Esto les permitió realizar comparaciones entre individuos y especies.
El resultado más sorprendente mostró que los pinnípedos tienen una vía neuronal que vincula la vocalización directamente con las neuronas que controlan la laringe, una derivación que les permite controlar conscientemente los músculos utilizados en la vocalización.
Los datos también revelaron distinciones en las vías que conectan los sistemas cerebrales auditivo y vocal. Los elefantes marinos y las focas comunes mostraron robustas conexiones motoras auditivo-vocales, pero los coyotes no.
Un hallazgo adicional podría ayudar a explicar la capacidad de las focas para imitar sonidos novedosos. Los loros y los humanos tienen conexiones especiales entre el tálamo (la estación sensoriomotora del cerebro) y la corteza vocal motora. En el estudio actual, las focas comunes mostraron conexiones mucho más fuertes entre estas regiones que las de todas las demás especies.
Los investigadores están basándose en estos hallazgos a través de un estudio cerebral similar en ballenas, delfines y marsopas, otro grupo de mamíferos marinos con impresionantes capacidades vocales.
"Todos los animales pueden aprender", afirma Cook. "Y casi todas las aves y mamíferos se comunican con sus voces. La paradoja de por qué tan pocos animales pueden aprender a controlar sus llamadas es un irresistible misterio científico".
La investigación se publicó en la revista Science: Seal and sea lion brains have evolved to support volitional control of vocal behavior and learning
