Los científicos identifican circuitos cerebrales con comportamiento en cardúmenes de peces

Bandadas de gansos migratorios se mueven en formación de «V» a través del cielo de verano… manadas de bisontes retumban por las llanuras como un grupo formidable… y enormes bancos de sardinas nadan fascinantemente al unísono.

Durante décadas, los ecologistas y conductistas animales han estudiado este tipo de comportamientos grupales en una variedad de especies. Los científicos de la Universidad de California en San Diego ahora están analizando sus raíces desde la perspectiva del cerebro. ¿Cómo desarrollan los grupos de animales un movimiento coordinado? ¿Cómo pueden varios cerebros individuales compartir información para producir un comportamiento único y coherente?

Publicado en el periódico Biología actualLos investigadores postdoctorales David Zada ​​​​y Lisanne Schulz en el laboratorio del profesor asistente Matthew Lovett-Barron en la Facultad de Ciencias Biológicas estudiaron bancos de diminutos peces de cristal transparentes (Danionella cerebrum) para ayudar a encontrar respuestas intrigantes a estas preguntas.

«Los comportamientos sociales grupales, como los bancos de peces y las bandadas de pájaros, son muestras sorprendentes de complejidad conductual en el mundo natural, pero se sabe poco sobre cómo estos comportamientos emergen de los cerebros interactuantes de muchos individuos», dijo el profesor asociado Lovett-Barron. en el Departamento de Neurobiología. «No sabemos mucho acerca de cómo los procesos neuronales en animales individuales producen comportamientos cooperativos».

En sus nuevos hallazgos, los investigadores descubrieron que los peces de cristal dependen de su sentido de la vista para nadar en grupos. Si bien se sabe que algunas especies de peces usan el sentido del flujo de agua para nadar juntos, los investigadores han revelado a través de una serie de experimentos que los peces de cristal solo usan la visión.

Utilizando herramientas de aprendizaje automático para rastrear los movimientos de peces de diferentes edades, descubrieron que la capacidad de seguir los movimientos de un grupo coordinado crece a medida que los individuos maduran.

Mientras que los humanos recién nacidos desarrollan habilidades sociales complejas a medida que crecen, los peces de cristal perfeccionan su capacidad para moverse en grupos sociales organizados a medida que envejecen. Los peces criados en un entorno social normal evitaron a otros peces a las dos semanas de edad, luego adquirieron la capacidad de socializar con otros después de cuatro semanas y finalmente lograron una adaptación social completa en los bancos después de seis semanas.

Como los peces de cristal son muy transparentes, los investigadores pudieron capturar imágenes de su actividad cerebral utilizando microscopios ópticos. Registraron miles de neuronas en los cerebros de peces de cristal sumergidos en un entorno panorámico de realidad virtual, donde observaron a los peces mover formas parecidas a peces que simulaban una experiencia de escolarización.

Los investigadores identificaron circuitos activos grabando imágenes de gcAMP, una proteína fluorescente, en las neuronas. GCaMP brilla intensamente en presencia de calcio, que ingresa a las células cuando las neuronas están activas. Las grabaciones de esta actividad mostraron que los cerebros de los peces de cristal responden a la visión de sus interlocutores sociales y que la madurez es importante para la visión social.

Aunque los peces de cristal de todas las edades pueden percibir los movimientos de sus interlocutores sociales virtuales, sólo los peces más viejos pueden distinguir los movimientos de las formas parecidas a peces y las formas parecidas a peces. Los investigadores creen que el desarrollo de esta capacidad visual permite a los peces cristal alinear sus cuerpos con los de sus interlocutores sociales para poder nadar adecuadamente en los cardúmenes.

Siguiendo esta idea, los investigadores estudiaron peces criados de forma aislada. Estos peces exhibieron un comportamiento escolar profundamente deteriorado y un procesamiento visual inmaduro de los estímulos sociales, en comparación con sus homólogos criados en grupos.

«En la naturaleza, vemos que grandes grupos de animales pueden moverse como una unidad cohesiva, y nuestro laboratorio está trabajando para comprender cómo los cerebros de los individuos pueden prestar atención a las acciones de sus interlocutores sociales para producir este comportamiento a nivel de grupo». dijo Lovett-Barron. «En este estudio descubrimos que estas habilidades sociales surgen progresivamente a lo largo del desarrollo a medida que madura el sistema nervioso».

El pez de cristal, de sólo 10 a 12 milímetros de largo (aproximadamente el ancho de un lápiz), se ha convertido recientemente en un sistema modelo para estudios biológicos. El pez cebra, estrechamente relacionado, ha sido ampliamente estudiado, pero pierde su pequeño tamaño y transparencia a medida que envejece. Los peces de cristal, por otro lado, permanecen pequeños y transparentes durante toda su vida, lo que brinda a los biólogos nuevas oportunidades para observar la función cerebral.