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Maestros del disfraz

Instituto Max Planck
Las sepias son maestras del camuflaje, gracias al circuito neuronal que actúa directamente sobre las células de la piel para cambiar de color y patrón. Imagen: MPI

Los sepíidos (Sepiida) son un orden de moluscos cefalópodos conocidos con el nombre de sepia, jibia, choco o cachón. Alcanzan los 30-40 cm de longitud. Viven en el fondo de los mares poco profundos de las zonas tropical y templada. En general la sepia tiene el cuerpo un tanto aplanado y 8 tentáculos distribuidos en pares en torno a la boca, con cuatro hileras de ventosas cada uno y dos tentáculos más largos que los demás y sirve para capturar las presas. Los dos ojos son lentes muy desarrolladas y tienen una pupila en forma de W, incluso tienen más células fotorreceptoras que los mamíferos y pueden ver todos los colores, menos el rojo, que es absorbido primero en el agua. El cuerpo es aplanado, la piel del dorso está llena de cromatóforos.

Los cefalópodos modernos perdieron sus conchas externas hace unos 150 millones de años y adoptaron un estilo de vida depredador cada vez más activo. Este desarrollo estuvo acompañado por un aumento masivo en el tamaño de sus cerebros: las sepias y pulpos modernos tienen los cerebros más grandes (en relación con el tamaño corporal) entre los invertebrados con un tamaño comparable al de los reptiles y algunos mamíferos. Utilizan estos cerebros grandes para realizar una serie de comportamientos inteligentes, incluida la capacidad singular de cambiar el patrón de su piel para camuflarse, o esconderse, en su entorno.

Los cefalópodos controlan el camuflaje mediante la acción directa de su cerebro en las células especializadas de la piel llamadas cromatóforos, que actúan como “píxeles” biológicos, que como si dieran color en una pantalla lo realizan en este caso, en su piel.

Las sepias poseen hasta millones de cromatóforos, cada uno de los cuales puede expandirse y contraerse para producir cambios locales en el color de la piel. Al controlar estos cromatóforos, la sepia puede transformar su apariencia en una fracción de segundo. Utilizan el camuflaje para cazar, para evitar a los depredadores, pero también para comunicarse.

La capacidad única de las sepias, calamares y pulpos para esconderse imitando los colores y la textura de su entorno ha fascinado a los científicos naturales desde la época de Aristóteles. Exclusivamente entre todos los animales, estos moluscos controlan su apariencia mediante la acción directa de las neuronas sobre píxeles expandibles, numerados en millones, ubicados en su piel. Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro (MPI Brain Research), el Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt (FIAS) y la Universidad de Goethe (GU) utilizaron esta correspondencia píxeles-neuronas para dilucidar el funcionamiento del cerebro de la sepia y resolver las redes de control neuronal que manejan el cambio de coloración y patrones de la piel, mediante un análisis de imágenes por computadora, técnicas que comienzan a revelar esas soluciones.

Para camuflarse, la sepia no encaja con su entorno local píxel por píxel, sino que parecen extraer, a través de la visión, una aproximación estadística de su entorno y utilizan esta información para seleccionar un camuflaje adaptativo de un repertorio amplio pero finito de patrones probables, seleccionados a través de la evolución. Las soluciones biológicas a este problema de comparación estadística son desconocidas. Pero como la sepia puede resolverlo tan pronto como sale de su huevo, sus soluciones probablemente sean innatas (nacen con esta capacidad), embebidas en el cerebro de la sepia y relativamente simples.

Los cromatóforos de sepia son células especializadas que contienen un saco elástico de gránulos de pigmento coloreado. Cada cromatóforo está unido a músculos radiales diminutos, controlados por pequeñas cantidades de neuronas motoras en el cerebro. Cuando estas neuronas motoras se activan, hacen que los músculos se contraigan, expandiendo el cromatóforo y mostrando el pigmento. Cuando cesa la actividad neuronal, los músculos se relajan, el saco de pigmento elástico se contrae y la piel subyacente reflectante se revela. Debido a que los cromatóforos de manera individual reciben información de un pequeño número de neuronas motoras, el estado de expansión de un cromatóforo podría proporcionar una medición indirecta de la actividad de las neuronas motoras.

“Nos dispusimos a medir la función cerebral de forma simple e indirecta mediante la imagen de los píxeles en la piel del animal”, dice el Dr. Gilles Laurent, director del Departamento de Sistemas Neuronales y Codificación Cerebral. “De hecho, el monitoreo del comportamiento de la sepia con la resolución de un cromatóforo brindó una oportunidad única para indirectamente ‘visualizar’ a poblaciones muy grandes de neuronas en animales que se comportan libremente”.

Llegar allí llevó muchos años de arduo trabajo, algunas buenas ideas y algunos golpes de suerte. Un requisito clave para el éxito fue lograr rastrear decenas de miles de cromatóforos individuales en paralelo con 60 imágenes de alta resolución por segundo y rastrear cada cromatóforo de una imagen a la siguiente, de un patrón a otro, de una semana a otra, cuando el animal respiraba, se movía, cambiaba de aspecto y crecía, insertando constantemente nuevos cromatóforos. Una idea clave fue “darse cuenta de que la disposición física de los cromatóforos en la piel son lo suficientemente irregular como para que sea localmente única, proporcionando así ‘huellas dactilares’ en la piel de estos organismos” dice Matthias Kaschube de FIAS / GU.

Por comparación iterativa y por partes de la imagen, fue posible distorsionar las imágenes de forma tal que todos los cromatóforos estuvieran alineados y rastreables correctamente, incluso cuando sus tamaños individuales diferían, como ocurre cuando cambian los patrones de la piel, e incluso cuando han aparecido nuevos cromatóforos, a medida que el animal crece.

Con ideas como esta, y con la ayuda de múltiples supercomputadoras, el equipo de Laurent logró cumplir su objetivo y con esto, comenzó a “mirar el cerebro del animal” y su sistema de control de camuflaje. En el camino, también hicieron observaciones inesperadas. Por ejemplo, cuando un animal cambia de apariencia, cambia de una manera muy específica a través de una secuencia de patrones intermedios que son determinados con precisión. Esta observación es importante porque sugiere restricciones internas en la generación de patrones, revelando así aspectos ocultos de los circuitos de control neuronal. También encontraron que los cromatóforos cambian sistemáticamente los colores a lo largo del tiempo, y que el tiempo necesario para este cambio se corresponde con la tasa de producción de nuevos cromatóforos, de modo que la fracción relativa de cada color permanece constante.

Finalmente, al observar este desarrollo, derivaron reglas mínimas que pueden explicar la morfogénesis de la piel en esta y posiblemente en todas las demás especies de cefalópodos.

“Este estudio abre una gran variedad de nuevas preguntas y oportunidades”, dice Laurent. “Algunos de estos se refieren a la percepción de la textura y son relevantes para el creciente campo de la neurociencia computacional cognitiva; otros ayudan a definir el vínculo preciso entre la actividad cerebral y el comportamiento, un campo llamado neuroetología; otros aún ayudan a identificar las reglas celulares de desarrollo involucradas en la morfogénesis tisular. Finalmente, este trabajo abre una ventana al cerebro de animales cuyo linaje se separó del nuestro hace más de 540 millones de años. Los cerebros de cefalópodos ofrecen una oportunidad única para estudiar la evolución de otra forma de inteligencia, basada en una historia completamente independiente del linaje de vertebrados”.

Sus resultados fueron publicados en la revista Nature.

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