El cerebro del Coccocephalus es más similar a los cerebros de modernos esturiones y peces espátula
El cráneo escaneado por tomografía computarizada de un pez fosilizado de 319 millones de años, extraído de una mina de carbón en Inglaterra hace más de un siglo, ha revelado el ejemplo más antiguo de un cerebro vertebrado bien conservado.
El cerebro y sus nervios craneales miden aproximadamente una pulgada de largo y pertenecen a un pez extinto del tamaño de una mojarra de oreja azul (Lepomis macrochirus).
El descubrimiento abre una ventana a la anatomía neural y la evolución temprana del principal grupo de peces vivos de hoy en día, los peces con aletas radiadas, según los autores de un estudio dirigido por la Universidad de Michigan.
El fortuito hallazgo también proporciona información sobre la preservación de partes blandas en fósiles de animales con columna vertebral. La mayoría de los fósiles de animales en las colecciones de los museos se formaron a partir de partes duras del cuerpo, como huesos, dientes y conchas.
El cerebro escaneado por tomografía computarizada analizado para el nuevo estudio pertenece a Coccocephalus wildi, un pez primitivo con aletas radiadas que nadaba en un estuario y probablemente se alimentaba de pequeños crustáceos, insectos acuáticos y cefalópodos, un grupo que hoy incluye calamares, pulpos y sepias. Los peces con aletas radiadas tienen espinas dorsales y aletas sostenidas por varillas óseas llamadas radios.
Cuando el pez moría, los tejidos blandos de su cerebro y nervios craneales eran reemplazados durante el proceso de fosilización por un mineral denso que conservaba, con exquisito detalle, su estructura tridimensional.
Vídeo: Animación que muestra imágenes tomográficas del cráneo fosilizado de Coccocephalus wildi (amarillo claro), seguido del cerebro de pez fosilizado y los nervios craneales (rosa) y los otolitos (blanco) dentro del cráneo. Crédito: Museo de Paleontología de la Universidad de Michigan.
"Una conclusión importante es que este tipo de partes blandas se pueden conservar, y se pueden conservar en fósiles que hemos tenido durante mucho tiempo; este es un fósil que se conoce desde hace más de 100 años", dijo el paleontólogo de la U-M, Matt Friedman, autor principal del nuevo estudio y director del Museo de Paleontología.
El autor principal es el estudiante de doctorado de la UM, Rodrigo Figueroa, quien realizó el trabajo como parte de su disertación, bajo la dirección de Friedman, en el Departamento de Ciencias Ambientales y de la Tierra.
"Este pequeño y superficialmente poco impresionante fósil no solo nos muestra el ejemplo más antiguo de un cerebro de vertebrado fosilizado, sino que también muestra que necesitará ser reelaborado gran parte de lo que pensábamos sobre la evolución del cerebro solo a partir de especies vivas", dijo Figueroa.
"Con la amplia disponibilidad de técnicas de imagen modernas, no me sorprendería si descubrimos que los cerebros fósiles y otras partes blandas son mucho más comunes de lo que pensábamos anteriormente. A partir de ahora, nuestro grupo de investigación y otros observarán las cabezas de peces fósiles con una perspectiva nueva y diferente".
El fósil de cráneo de Inglaterra es el único espécimen conocido de su especie, por lo que solo se podrían usar técnicas no destructivas durante el estudio dirigido por la U-M.
El trabajo sobre el Coccocephalus es parte de un esfuerzo más amplio de Friedman, Figueroa y sus colegas que utiliza la tomografía computarizada (TC) para mirar dentro de los cráneos de los primeros peces con aletas radiadas. El objetivo del estudio más amplio es obtener detalles anatómicos internos que brinden información sobre las relaciones evolutivas.
En el caso de C. wildi, Friedman no estaba buscando un cerebro cuando encendió su escáner micro-CT y examinó el cráneo fósil.
"Lo escaneé, luego cargué los datos en el software que usamos para visualizar estos escaneos y noté que había un objeto distinto e inusual dentro del cráneo", dijo.
La mancha no identificada era más brillante en la imagen de TC y, por lo tanto, probablemente más densa que los huesos del cráneo o la roca circundante.
"Es común ver crecimientos minerales amorfos en los fósiles, pero este objeto tenía una estructura claramente definida", dijo Friedman.
El objeto misterioso mostraba varias características que se encuentran en los cerebros de los vertebrados: era bilateralmente simétrico, contenía espacios huecos similares en apariencia a los ventrículos, y tenía múltiples filamentos que se extendían hacia las aberturas de la caja craneal, de apariencia similar a los nervios craneales, que viajan a través de dichos canales en las especies vivas.
Imagen: El cráneo fosilizado de Coccocephalus wildi, uno de los primeros peces con aletas radiadas que nadaba en un estuario hace 319 millones de años. El pez mira hacia la derecha, con las mandíbulas visibles en la parte inferior derecha del fósil. La cuenca del ojo es la característica circular y llena de baches sobre las mandíbulas. Este pez habría tenido de 6 a 8 pulgadas de largo, aproximadamente del tamaño de una mojarra de oreja azul. Crédito: Jeremy Marble, Noticias de la Universidad de Michigan.
"Tenía todas estas características, y me dije a mí mismo: '¿Es realmente un cerebro lo que estoy viendo?'", dijo Friedman. "Así que me acerqué a esa región del cráneo para hacer un segundo escaneo de mayor resolución, y estaba muy claro que eso era exactamente lo que tenía que ser. Y fue solo porque este era un ejemplo tan inequívoco que decidimos llevarlo mas allá".
Aunque rara vez se ha encontrado tejido cerebral conservado en fósiles de vertebrados, los científicos han tenido más éxito con los invertebrados. Por ejemplo, en 2021 se informó del cerebro intacto de un cangrejo de herradura de 310 millones de años, y los escaneos de insectos revestidos de ámbar han revelado cerebros y otros órganos. Incluso hay evidencia de cerebros y otras partes del sistema nervioso registradas en especímenes aplanados de más de 500 millones de años.
En 2009 se informó sobre el cerebro preservado de un pariente de tiburón de 300 millones de años. Pero los tiburones, las rayas y las patines son peces cartilaginosos, que hoy albergan relativamente pocas especies en comparación con el linaje de peces con aletas radiadas que contiene al Coccocephalus. Los primeros peces con aletas radiadas como Coccocephalus pueden informar a los científicos sobre las fases evolutivas iniciales del grupo de peces más diverso de la actualidad, que incluye de todo, desde truchas hasta atunes, caballitos de mar y platijas.
Hay aproximadamente 30.000 especies de peces con aletas radiadas, y representan aproximadamente la mitad de todas las especies de animales con columna vertebral. La otra mitad se divide entre vertebrados terrestres (aves, mamíferos, reptiles y anfibios) y grupos de peces menos diversos, como peces sin mandíbula y peces cartilaginosos.
El fósil del cráneo de Coccocephalus está prestado a Friedman por el Museo de Manchester de Inglaterra. Se recuperó del techo de la mina de carbón Mountain Fourfoot en Lancashire y se describió científicamente por primera vez en 1925. El fósil se encontró en una capa de esteatita adyacente a una veta de carbón en la mina.
Aunque solo se recuperó su cráneo, los científicos creen que C. wildi habría tenido entre 6 y 8 pulgadas de largo. A juzgar por la forma de su mandíbula y sus dientes, probablemente era un carnívoro, según Figueroa.
Cuando el pez murió, los científicos sospechan que fue rápidamente enterrado en sedimentos con poco oxígeno presente. Dichos entornos pueden retrasar la descomposición de las partes blandas del cuerpo.
Además, un microambiente químico dentro de la caja craneana del cráneo puede haber ayudado a preservar los delicados tejidos cerebrales y reemplazarlos con un mineral denso, posiblemente pirita, dijo Figueroa.
Imagen: Tomografía computarizada del cráneo de Coccocephalus wildi, que muestra el cerebro fosilizado y las estructuras asociadas. El cerebro y los nervios craneales aparecen de color blanco brillante en el centro de las imágenes. El pez está mirando hacia la izquierda. Las cuencas de los ojos son grandes áreas ovaladas negras rodeadas de hueso, y las mandíbulas están debajo de las cuencas de los ojos. Crédito: Figueroa et al. en Nature, febrero de 2023.
La evidencia que respalda esta idea proviene de los nervios craneales, que envían señales eléctricas entre el cerebro y los órganos sensoriales. En el fósil de Coccocephalus, los nervios craneales están intactos dentro de la caja craneana pero desaparecen cuando salen del cráneo.
"Parece haber, dentro de este vacío herméticamente cerrado en el cráneo, un pequeño microambiente que conduce al reemplazo de esas partes blandas con algún tipo de fase mineral, capturando la forma de los tejidos que de otro modo simplemente se descompondrían". dijo Friedman.
El análisis detallado del fósil, junto con las comparaciones con los cerebros de especímenes de peces modernos de la colección del Museo de Zoología de la U-M, reveló que el cerebro de Coccocephalus tiene un cuerpo central del tamaño de una pasa con tres regiones principales que corresponden aproximadamente en peces vivos al cerebro anterior, cerebro medio y rombencéfalo.
Los nervios craneales se proyectan desde ambos lados del cuerpo central. Visto como una sola unidad, el cuerpo central y los nervios craneales se asemejan a un pequeño crustáceo, como una langosta o un cangrejo, con brazos, patas y garras salientes.
En particular, la estructura del cerebro del Coccocephalus indica un patrón más complicado de evolución del cerebro de los peces de lo que sugieren las especies vivas por sí solas, según los autores.
"Estas características le dan al fósil un valor real para comprender los patrones de evolución del cerebro, en lugar de ser simplemente una curiosidad de preservación inesperada", dijo Figueroa.
Por ejemplo, todos los peces vivos con aletas radiadas tienen un cerebro evertido, lo que significa que los cerebros de los peces embrionarios se desarrollan plegando los tejidos desde el interior del embrión hacia afuera, como un calcetín al revés.
Todos los demás vertebrados tienen cerebros evaginados, lo que significa que el tejido neural en los cerebros en desarrollo se pliega hacia adentro.
"A diferencia de todos los peces vivos con aletas radiadas, el cerebro del Coccocephalus se pliega hacia adentro", dijo Friedman. "Entonces, este fósil está capturando un tiempo antes de que evolucionara esa característica distintiva de los cerebros de peces con aletas radiadas. Esto nos brinda algunas limitaciones sobre cuándo evolucionó este rasgo, algo que no teníamos bien controlado antes de los nuevos datos sobre el Coccocephalus".
Las comparaciones con peces vivos mostraron que el cerebro del Coccocephalus es más similar a los cerebros de esturiones y peces espátula, que a menudo se denominan peces "primitivos" porque se separaron de todos los demás peces vivos con aletas radiadas hace más de 300 millones de años.
Friedman y Figueroa continúan realizando tomografías computarizadas de cráneos de fósiles de peces con aletas radiadas, incluidos varios especímenes que Figueroa llevó a Ann Arbor en préstamo de instituciones de su país de origen, Brasil. Figueroa dijo que su tesis doctoral se retrasó por la pandemia de COVID-19, pero que se espera que esté terminada en el verano de 2024.
Friedman y Figueroa dijeron que el descubrimiento destaca la importancia de preservar los especímenes en los museos de paleontología y zoología.
"Aquí hemos encontrado una preservación notable en un fósil examinado varias veces antes por varias personas durante el siglo pasado", dijo Friedman. "Pero debido a que tenemos estas nuevas herramientas para mirar dentro de los fósiles, nos revela otra capa de información".
"Es por eso que conservar los especímenes físicos es tan importante. Porque quién sabe, en 100 años, qué podría hacer la gente con los fósiles de nuestras colecciones de ahora".
Los hallazgos se publican el 1 de febrero de 2023 en Nature: Exceptional fossil preservation and evolution of the ray-finned fish brain
