Nuevos fósiles muestran cómo se veían los cerebros de los artrópodos ancestrales

artrópodo Leanchoilia

Arriba: Representación artística de un Leanchoilia de Kaili que muestra sus largos apéndices en forma de tijera situados detrás de los ojos laterales en tallos rechonchos.

Tienen importantes implicaciones para la evolución temprana de los cerebros de los vertebrados

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 durante mucho tiempo que deben haber contribuido al cerebro arquetípico heredado por 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 familiares como los milpiés y los ciempiés.

Los fósiles, pertenecientes a un artrópodo conocido como Leanchoilia, confirman la presencia, predicha por estudios anteriores en 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 modernos artrópodos adultos. A pesar de ser invisible, este dominio frontal da lugar a varios centros neuronales cruciales en el cerebro de los artrópodos adultos, incluidas las células madre que eventualmente proporcionan centros involucrados en la toma de decisiones y la memoria. Se planteó la hipótesis de que este dominio frontal era distinto del prosencéfalo, el mesencéfalo y el rombencéfalo que se ven en los artrópodos vivos, y se le dio el nombre de prosocerebrum, con "proso" que significa "frente".

Descritos en un artículo publicado en la revista Current Biology, los fósiles proporcionan la primera evidencia de la existencia de esta discreta región cerebral prosocerebral, que tiene un legado que aparece durante el desarrollo embrionario de los artrópodos modernos, según el autor principal del artículo, Nicholas Strausfeld, profesor Regents de Neurociencia en 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 únicos porque se conservan de forma idéntica, 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 encuentra en cada segmento del sistema nervioso de un artrópodo. En los artrópodos vivos, los tres ganglios que marcan el cerebro de tres partes se condensaron para formar una masa sólida, oscureciendo su origen evolutivo como estructuras segmentadas.

vista lateral de Leanchoilia

Imagen: Vista lateral de un Leanchoilia de Kaili 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 de tejido cerebral son extremadamente raros

Descubiertos en los depósitos de la formación Kaili, una formación geológica en la provincia de Guizhou, en el suroeste de China, los restos fosilizados de Leanchoilia se remontan al período Cámbrico, hace unos 508 millones de años. Los fósiles de Kaili se encuentran en rocas sedimentarias que tienen altas concentraciones de hierro, cuya presencia probablemente ayudó a preservar los tejidos blandos, que posteriormente fueron reemplazados por depósitos de carbono.

"Los fósiles de Kaili abren una ventana para que podamos 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 Guizhou en la Universidad de Guizhou en China. "Por primera vez, ahora sabemos que los fósiles de artrópodos de la formación Kaili tienen el potencial de preservar el tejido neural que nos muestra el cerebro primitivo del artrópodo de tallo primitivo existente en los albores del mundo animal ".

"Los sistemas nerviosos, como 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 neuronales sea una desafiante tarea".

Los fósiles también arrojan nueva luz sobre el origen evolutivo de dos sistemas visuales separados en la evolución de los artrópodos: pares de ojos que miran hacia el frente u ojos que miran hacia los lados, cuyos descendientes todavía están presentes en las especies que viven en la actualidad.

vista anterior de Leanchoilia

Imagen: Vista de la parte anterior del fósil de Leanchoilia fotografiado con luz directa y que muestra las huellas oscuras de los ojos laterales, el prosocerebrum (las huellas más pálidas) y los ganglios segmentarios. La barra de escala es igual a 2 milímetros. Crédito: Nicholas Strausfeld

Muchos artrópodos, incluidos insectos y crustáceos, tienen un par bilateral distintivo de ojos compuestos facetados y otro par 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 arañas y escorpiones. Estos ojos más simples corresponden a los ojos delanteros del prosocerebrum en Leanchoilia, en línea con la evidencia obtenida por estudios previos que analizan los patrones de expresión génica durante el desarrollo embrionario de artrópodos vivos.

Los ojos laterales de Leanchoilia, por otro lado, se relacionan con el protocerebro, que es el ganglio segmentario que define el prosencéfalo del artrópodo, que se encuentra justo detrás del prosocerebro. En los artrópodos vivos, el protocerebrum proporciona los ojos compuestos de insectos y crustáceos, o los ojos laterales de lente única de 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 protocerebrum, o prosencéfalo, ha incorporado, en cierto modo absorbido, los centros antiguos proporcionados por el prosocerebrum, 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 prosocerebrum también ha dado lugar a ganglios asociados con el labrum o "labio superior" de los artrópodos modernos. Los fósiles también confirman una hipótesis anterior que sugiere que el labrum debe haber evolucionado originalmente a partir de los apéndices de Radiodonta, un grupo de artrópodos de tallo que fueron los principales depredadores durante el período Cámbrico.

"Cuando se compara con otro material fósil similar que pertenece a linajes más avanzados, la organización del cerebro de Leanchoilia demuestra que la disposición ganglionar del cerebro temprano experimentó condensación y fusión de sus componentes, lo que explica por qué en las especies vivas el prosocerebrum no puede distinguirse individualmente", Dijo Strausfeld.

cerebro y sistema nervioso de Leanchoilia

Imagen: Reconstrucción del cerebro y del sistema nervioso segmentario que muestra el par de ojos delanteros que se extiende desde el prosocerebrum, los ojos laterales desde el protocerebrum y cuatro ganglios segmentarios. Más atrás, dentro del tronco, cada segmento está equipado con un par de ganglios que juntos están unidos por un cordón nervioso que se extiende a lo largo del cuerpo. Las áreas sombreadas en azul indican tejido intestinal preservado. La barra de escala representa 2 milímetros. Crédito: Nicholas Strausfeld

Implicaciones para la evolución del cerebro en vertebrados

Además de cerrar una centenaria laguna en la comprensión de la evolución del cerebro de los artrópodos, los hallazgos tienen importantes implicaciones para la evolución temprana de los cerebros de los vertebrados, dijo Strausfeld.

Aunque existieron animales simples, parecidos a peces, al mismo tiempo que estos artrópodos ahora fosilizados, no hay fósiles convincentes de sus cerebros y, por lo tanto, no hay evidencia fósil ni evidencia anatómica de un prosocerebrum en vertebrados. Sin embargo, los estudios modernos muestran que los genes que definen los cerebros anterior y posterior de, por ejemplo, ratones corresponden a genes que definen las tres divisiones ganglionares del cerebro de los artrópodos. Y en los vertebrados, ciertos centros cruciales involucrados en la toma de decisiones y en el aprendizaje y la memoria tienen algunas correspondencias genéticas con los centros superiores en el cerebro del artrópodo, que se originó en el antiguo artrópodo prosocerebrum.

Por lo tanto, es plausible que incluso antes del período Cámbrico, posiblemente incluso antes de la evolución de los planes corporales organizados por segmentos, el antepasado común de vertebrados e invertebrados poseyera circuitos básicos para la cognición simple y la toma de decisiones. Y aunque un antiguo cerebro prosocerebral podría haber estado presente en los primeros antepasados de los vertebrados, ningún fósil de ese tipo ha sugerido evidencia de un dominio discreto y no segmentario.

"Sin embargo, uno puede especular razonablemente que los vertebrados han incrustado en sus cerebros 'modernos' partes de un cerebro antiguo no segmentado que hasta ahora solo ha sido demostrable en un artrópodo temprano, como Leanchoilia", dijo Strausfeld.

La investigación se publica en Current Biology: Leanchoiliidae reveals the ancestral organization of the stem euarthropod brain

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