Cómo las moscas de la fruta usan menos para comer más

Un estudio de la Universidad de California en San Diego revela cómo las moscas de la fruta procesan de manera eficiente olores complejos a través de una etapa de preprocesamiento, lo que podría inspirar nuevas tecnologías sensoriales compactas.

El estudio de la Universidad de California en San Diego muestra que las moscas de la fruta utilizan un mecanismo de preprocesamiento en su sistema sensorial para decodificar de manera eficiente olores complejos, ofreciendo información sobre las funciones del sistema sensorial y las posibles aplicaciones tecnológicas.

El sentido del olfato humano es complejo y utiliza miles de millones de neuronas para identificar diferentes olores. Por el contrario, los insectos como las moscas de la fruta tienen sólo 100.000 neuronas, pero aun así procesan eficazmente olores complejos para tareas de supervivencia como encontrar comida, aparearse y evitar a los depredadores. En un nuevo estudio, investigadores de UC San Diego revelan los sistemas simples pero eficientes que tienen las moscas que les permiten superar sus limitadas capacidades sensoriales.

«Nuestro trabajo arroja luz sobre los algoritmos de procesamiento sensorial que utilizan los insectos para responder a estímulos olfativos complejos», dijo Palka Puri, autor principal del estudio y doctorado en física. un estudiante. «Hemos demostrado que la organización especializada de las neuronas sensoriales de los insectos es la clave del rompecabezas: implementa un paso de procesamiento esencial que facilita los cálculos en el cerebro central». Puri y sus coautores, el académico postdoctoral Shiuan-Tze Wu, el profesor asociado Chih-Ying Su y el profesor asistente Johnatan Aljadeff, publicaron estos hallazgos en la revista Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Nuevos conocimientos sobre el procesamiento sensorial de insectos

Este nuevo estudio desafía las suposiciones anteriores de que el cerebro central es el sitio principal para el procesamiento de olores en las moscas. En cambio, muestra que la efectividad de las capacidades sensoriales de los insectos depende de una etapa de «preprocesamiento» en la periferia de su sistema sensorial, que prepara las señales de olor para los cálculos que ocurren más tarde en la región central del cerebro.

Los científicos de UC San Diego han propuesto una solución a cómo las moscas de la fruta utilizan un sistema simple pero eficiente para reconocer olores. Crédito: Laboratorio Aljadeff, UC San Diego

Mecanismos de detección de olores en moscas

Las moscas huelen a través de sus antenas, que están llenas de pelos sensoriales que detectan elementos del entorno que las rodea. Cada cabello sensorial normalmente tiene dos neuronas receptoras olfativas, u ORN, que se activan por diferentes moléculas de olor en el medio ambiente. Curiosamente, los ORN en el mismo cabello sensorial están fuertemente acoplados mediante interacciones eléctricas.

«Este escenario es similar a dos cables portadores de corriente colocados muy juntos», explicó Puri. «Las señales transportadas por los cables interfieren entre sí mediante interacciones electromagnéticas».

Sin embargo, en el caso del sistema olfativo de la mosca, esta interferencia es beneficiosa. Los investigadores demostraron que tan pronto como las moscas encuentran una señal de olor, el patrón específico de interferencia entre los receptores les ayuda a calcular rápidamente la «justicia» del significado del olor: «¿Es bueno o malo para mí?» El resultado de esta evaluación preliminar en la periferia se transmite luego a una región específica en el cerebro central del vuelo, donde la información sobre los olores presentes en el mundo exterior se traduce en una respuesta conductual.

Los investigadores demostraron que cuando las moscas encuentran una señal de olor, el patrón específico de interferencia entre los receptores olfativos ayuda a las moscas a calcular rápidamente el «gesto» del significado del olor. Crédito: Palka Puri, UC San Diego

Detalles y resultados del estudio

Los investigadores construyeron un modelo matemático de cómo se procesan las señales de olor mediante el acoplamiento eléctrico entre ORN. Luego analizaron el diagrama de cableado («conectoma») del cerebro de la mosca, un conjunto de datos a gran escala generado por científicos e ingenieros del campus de investigación del Instituto Médico Howard Hughes. Esto permitió a los investigadores rastrear cómo las señales odoríferas de la periferia sensorial se integran en el cerebro central.

«Sorprendentemente, nuestro trabajo muestra que la mezcla de olores óptima -la proporción precisa a la que cada cabello sensorial es más sensible- se define por la diferencia de tamaño genéticamente predeterminada entre las neuronas fiscales acopladas a los olores», dijo Aljadeff, miembro de la facultad de la Escuela de Biología. Ciencias. «Nuestro trabajo destaca el amplio papel algorítmico de la periferia sensorial para el procesamiento de olores significativos y aprendidos en el cerebro central».

Aljadeff describe el sistema con una analogía visual. Como una cámara especializada que puede detectar tipos específicos de imágenes, la mosca ha desarrollado un método genético para distinguir entre imágenes o, en este caso, mezclas de olores. «Descubrimos que el cerebro de la mosca está programado para leer las imágenes de esta cámara tan especial y luego iniciar el comportamiento», dijo.

Para llegar a estos resultados, la investigación se integró con hallazgos anteriores del laboratorio de Su que describían la organización conservada de los ORN en el sistema olfativo de la mosca en los pelos sensoriales. El hecho de que las señales transmitidas por las mismas moléculas de olor siempre interfieran entre sí, en cada vuelo, sugirió a los investigadores que esta organización tiene un significado.

«Este análisis muestra cómo las neuronas en los centros cerebrales superiores pueden aprovechar la computación equilibrada en la periferia», dijo Su. «Lo que realmente lleva este trabajo a otro nivel es cuánto puede influir este preprocesamiento periférico en la función cerebral superior y en las operaciones de los circuitos».

Investigaciones y aplicaciones futuras

Este trabajo puede inspirar la investigación sobre el papel del procesamiento en órganos periféricos en otros sentidos, como la visión o el oído, y ayudar a sentar las bases para diseñar dispositivos de detección compactos que puedan interpretar datos complejos.

«Estos hallazgos proporcionan información sobre los principios fundamentales de los cálculos sensoriales complejos en biología y abren las puertas a futuras investigaciones sobre el uso de estos principios para diseñar potentes sistemas de ingeniería», dijo Puri.

Referencia: “Preprocesamiento periférico en Drosofila facilita la clasificación de olores” por Palka Puri, Shiuan-Tze Wu, Chih-Ying Su y Johnatan Aljadeff, 16 de mayo de 2024, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2316799121