Descubren la compleja sinfonía de la visión de la mosca de la fruta

La visión es el resultado de una obra maestra sinfónica de la que el estudio de la mosca de la fruta ha desvelado sus entresijos neuronales: un desconocido microcircuito neuronal aclara la compleja organización del sistema visual de la mosca de la fruta, que es un referente para la visión humana.

Una orquesta de redes neuronales complejas interpreta una obra maestra sinfónica llamada visión, un campo apasionante para neurobiólogos como Alexander Borst, director del Instituto Max Planck de Inteligencia Biológica.

En el último estudio de su departamento, los científicos encontraron un microcircuito que invierte las señales excitatorias en inhibitorias y, por lo tanto, es capaz de transformar un solo tipo de entrada neuronal para múltiples propósitos.

El descubrimiento de este microcircuito es una pieza importante del rompecabezas para una mejor comprensión del proceso visual de la mosca de la fruta Drosophila y, en última instancia, de la visión misma.

Procesamiento cerebral

La visión es uno de los sentidos más importantes en el ser humano. En consecuencia, una gran parte del cerebro se dedica a procesar la información visual.

Para calcular la información visual de forma rápida y precisa, una multitud de redes neuronales deben realizar una interacción compleja, que las moscas de la fruta pueden ayudarnos a comprender.

Sorprendentemente, además de las diferencias obvias entre los ojos de los humanos y los de las moscas de la fruta, se pueden encontrar muchos paralelismos en la forma en que sus cerebros procesan la información visual.

Dado que el sistema visual de las moscas es muy eficiente pero significativamente menos complejo que el nuestro, no sorprende que esta sea una de las redes neuronales mejor comprendidas en la neurociencia.

Cascada de células

En el sistema visual de las moscas, una cascada de células nerviosas se encarga de transformar la información de la luz en señales de dirección específica.

Las células T4, por ejemplo, responden a los bordes brillantes en movimiento (vía ON), mientras que las células T5 solo responden a los bordes oscuros en movimiento (vía OFF).

Tanto las células T4 como las T5 tienen cuatro subtipos que están sintonizados con los cuatro puntos cardinales (de adelante hacia atrás, de atrás hacia adelante, hacia arriba y hacia abajo).

Esto significa que cada neurona solo reacciona a una dirección específica de movimiento visual, su llamada dirección preferida, mientras que muestra poca reacción cuando es estimulada por un borde que se mueve en otras direcciones (= dirección nula).

Mecanismo descifrado

El departamento ha descifrado recientemente el mecanismo para calcular la selectividad de la dirección en la ruta ON, lo que deja aún por entender la implementación exacta en la ruta OFF.

Con este fin, los científicos del departamento de Alexander Borst desarrollaron una combinación única de imágenes de calcio con técnicas termogenéticas, optogenéticas y farmacológicas para investigar la red neuronal que subyace en la vía OFF de Drosophila.

Descubrieron que varias neuronas de entrada activan las células T5 cuando se recibe una señal que se mueve en la dirección preferida de T5.

Al suprimir o activar estas neuronas de entrada, los científicos probaron su papel en cómo las células T5 calculan la dirección.

Incógnita a despejar

A través de un conjunto de experimentos, el equipo pudo confirmar que las neuronas de entrada influyen y dan forma al ajuste de la dirección preferida de las células T5.

Además de activar las neuronas de entrada, también existen las neuronas inhibidoras, que reducen las señales de salida de otra célula. Así es como se suprimen todas las señales de direcciones distintas de la dirección preferida en las células T4.

Sorprendentemente, no existen tales neuronas inhibitorias para las células T5. Esto planteó un misterio a los investigadores: ¿Cómo funciona la supresión de dirección nula en T5? En otras palabras, ¿cómo pueden estas neuronas reaccionar solo a las señales en su dirección preferida sin las neuronas inhibidoras?

Microcircuito subyacente

El equipo dirigido por Amalia Braun descubrió un microcircuito subyacente a la supresión de dirección nula T5: CT1, una neurona inusual de campo grande, recibe e invierte entradas excitatorias, lo que conduce a una señal inhibitoria necesaria para la supresión de dirección nula.

“Mediante el uso de métodos genéticos para eliminar tipos de células individuales, pudimos mostrar que la curva de sintonización de la detección de dirección de una célula T5 se amplió sustancialmente cuando CT1 desapareció. Esto también podría confirmarse mediante el uso de modelos algorítmicos”, explica Amalia Braun.

"Por lo tanto, mientras que las neuronas excitatorias influyen directamente en las células T5 en su dirección preferida, una señal excitatoria que toma el desvío a través de una célula CT1 que invierte la señal conduce a la supresión de la dirección nula".

Sinfonía compleja

Con el descubrimiento de este microcircuito, el departamento podría agregar una vez más un nuevo acto a la compleja composición sinfónica del sistema visual de Drosophila.

“El microcircuito CT1 es un ejemplo sorprendente de los diversos mecanismos de inhibición y excitación de varias capas en el cerebro, y de cómo una red neuronal aprovecha un solo tipo de señal para múltiples propósitos”, resume el último autor Matthias Meier.

La identificación de este microcircuito, que permite y da forma a la detección de movimiento, está profundizando sustancialmente nuestra comprensión del procesamiento visual de Drosophila y, en última instancia, de la visión misma.

Referencia

Disynaptic inhibition shapes tuning of OFF-motion detectors in Drosophila

. Amalia Braun et al. Current Biology, 25 May 2023. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.05.007