Si el lector ha visto Living Waters [Aguas vivas], se
habrá sentido indudablemente asombrado ante la complejidad de las operaciones
que se dan en el seno de la nariz de un salmón. Sin embargo, la animación que
se muestra en dicho documental, simplifica enormemente el sentido del olfato. Nuevos
descubrimientos siguen acercando a los científicos más y más a la comprensión
de su funcionamiento, añadiendo a lo
ya publicado aquí el pasado octubre.
La última vez nos concentramos en el epitelio olfativo, el
tejido que recibe las moléculas odoríferas. Vimos como se organiza en un patrón
jerárquico que proporciona la mejor recepción posible para diferentes clases de
odorantes. El epitelio de cada orificio nasal contiene medio millón de neuronas
sensoriales olfatorias (NSOs), unas células largas con cilios en un extremo y
un axón en el otro. Los cilios están allá donde las moléculas odoríferas entran
en contacto con los receptores olfatorios (ROs). Cuando una molécula «ajusta»
de manera precisa, el receptor responde, disparando una cascada de actividades.
Pero, ¿qué constituye un buen ajuste?
Cerraduras y llaves vibradoras
El debate acerca de esto ha sido bien animado. La
perspectiva dominante ha sido que la forma de la molécula se ajusta con la
forma del receptor como una «cerradura y su llave». Pero en la década de los
1990, Luca Turin y otros propusieron una teoría «vibratoria» para explicar los
defectos del modelo de la conformación. ¿Por qué, por ejemplo, diferentes
formas producen sensaciones odoríferas similares en algunos casos, y formas
similares producen sensaciones diferentes en otras? Debido a que el debate
entre los «conformacionistas» y los «vibracionistas» ha quedado sin resolver,
los animadores de Illustra aludieron a ambas posibilidades, mostrando la
molécula ajustando como un guante, pero también vibrando. (Es también posible
que ambas teorías tengan razón en parte.)
El año pasado se creyó que la teoría vibratoria estaba casi
descartada cuando un año un equipo no encontró evidencia en su favor en un
experimento con receptores olfatorios en una cápsula de petri. Los receptores
no reaccionaron de manera diferente a dos moléculas con la misma forma pero con
diferentes frecuencias vibratorias. Pero ahora los teóricos de la vibración
están de vuelta con gran fuerza. John Hewitt habla de esto en PhysOrg.
Un equipo italiano, en un artículo en Scientific Reports, encontró
evidencia de discriminación entre moléculas con formas idénticas pero con
vibraciones diferentes. Se diseñaron cuidadosamente cuatro pares de moléculas
odoríferas para que fuesen idénticas excepto en que algunos átomos de hidrógeno
se sustituyeron por deuterio (hidrógeno pesado, conteniendo un neutrón extra).
La ligera diferencia de masa en esos «isotopómeros» («misma topología») altera
la frecuencia de vibración de la molécula. Esos odorantes de la misma forma se
difundieron a las narices de abejas melíferas mientras los científicos seguían
sus cerebros en tiempo real.
Desde luego, las abejas evidenciaron la capacidad de
discriminar entre estas moléculas odoríferas, exhibiendo unas respuestas muy
diferentes ante los pares con la misma conformación. «Considerando la estrecha
correspondencia estructural entre isotopómeros», escribe Hewitt, «sería muy
difícil incluso para el más ardiente defensor de la filosofía conformacionista
barrer bajo la alfombra las realidades experimentales aquí observadas». Las
implicaciones son interesantes para los teorizadores de un diseño deliberado de
la vida. Hewitt prosigue:
Los autores
observan que las capacidades de discriminación
independientes de la forma que han descubierto no pueden descartarse como
una idiosincrasia de unos pocos y peculiares receptores olfatorios; más bien,
constituyen una característica más
general de la interacción ligando-receptor. Mucho del palpable ridículo
corporativo que los miembros de las comunidades mayoritarias de las ciencias
olfatoria y neurocientífica reservan rutinariamente para la teoría vibratoria
podría trazarse a un temor más profundo
y más insidioso: a pesar de unos esfuerzos tenazmente concentrados, no tienen ni idea de cómo realmente
funcionan los receptores. [Énfasis añadido.]
Hewitt contempla un posible principio general en operación
en la detección biológica. ¿Cómo llegaron los seres vivientes a aplicarse a la
tarea de «llegar rápidamente (en
tiempo evolutivo) a desarrollar y a desplegar
ingeniosamente “detectores universales” que se aplican a diversas entradas,
en todo desde el olfato a la visión y al tacto? Incluso la respuesta del
bronceado frente a la luz UV despliega esta estrategia. «La Naturaleza ha desencadenado su imaginación sin límites», bromea
— y ello de una manera ingeniosa.
Un gol para los vibracionistas. El debate proseguirá, sin
duda, pero, cosa muy interesante para nosotros, ilustra la complejidad del
sentido del olfato, y su extremada precisión que ha desconcertado a los
científicos durante décadas. Imaginemos una abeja melífera, una mosca de la
fruta o un salmón que pueden discriminar entre moléculas gemelas que difieren
sólo en una o dos unidades de masa atómica. Es un diseño que no se puede
mejorar.
Una centralita conmutadora dinámica
Mientras tanto, un reciente artículo en Nature
Communications nos conduce al otro extremo de la neurona olfatoria al
extremo del axón. Como se expone en la animación de Illustra, los extremos
nerviosos de un millón de NSOs convergen en un órgano extraordinario, el bulbo
olfatorio (BO), que está tachonado de puntos de conexión llamados glomérulos. En
un asombroso ejemplo de funcionamiento en red preprogramado, estos axones
«conocen» de alguna manera durante el desarrollo a qué glomérulos deben unirse,
dependiendo del tipo de receptor odorífero que expresan (y hay cientos de
éstos). Los axones para un receptor podrían crecer hacia un glomérulo en la
parte superior del bulbo; axones para otro a la parte posterior. Entre las
zonas superior-inferior, anterior-posterior e izquierda-derecha, el BO tiene
tres ejes mediante los que discriminar conexiones procedentes de diferentes
clases de receptores. Esta es la primera etapa de separar y clasificar los
tipos de odorantes. (Nota: a partir de ahí las cosas se vuelven aún más
complicadas.)
Esos científicos de los Institutos Nacionales de Salud y de
la Universidad de Carnegie Mellon querían determinar cuán maleables son las
entradas olfatorias. Una vez establecido, ¿está el tejido olfatorio determinado
de por vida? ¿Se puede rehacer el conexionado del bulbo olfatorio al cambiar
las condiciones o al envejecer el pez? Cuando una nueva neurona sustituye a una
vieja, ¿se conexiona de la misma manera? La respuesta breve es que rehacer el
conexionado no es solo posible, sino que ocurre a lo largo de toda la vida
adulta? ¿Por qué razón?
La
incorporación de nuevas neuronas
posibilita la plasticidad y la reparación de circuitos en el cerebro
adulto. La neurogénesis es un factor
clave del sistema olfatorio de los mamíferos, con nuevas neuronas sensoriales
olfatorias (NSOs) que se conectan a
los circuitos sumamente organizados del bulbo
olfatorio (BO) durante toda la vida. Sin embargo, no se sabe cuándo las
NSOs nuevamente generadas posnatalmente forman primero sus sinápsis ni si las
NSOs retienen la capacidad para sinaptogénesis tras haber madurado. Por tanto,
no queda claro cómo la integración de las NSOs generadas en adultos pueden contribuir a una plasticidad del BO
de por vida. Aquí usamos una combinación de microscopía electrónica,
activación optogénica y videoimaginería para mostrar cómo las recién generadas NSOs forman sinapsis sumamente dinámicas y son
capaces de suscitar un robusto disparo
dirigido por estímulos de las neuronas en el BO del ratón. Además,
demostramos que los axones maduros de
las NSOs experimentan un remodelado sináptico continuo dependiente de la
actividad que persiste en el estadio adulto. Por tanto, la sinaptogénesis
de las NSOs proporciona un potencial
sostenido para la plasticidad del BO y una reparación que es mucho más
rapida que la mera sustitución de las NSOs.
Observemos la referencia a «los circuitos sumamente
organizados del bulbo olfatorio». A diferencia de Hewitt, que derivó a
especulaciones evolucionistas en su artículo después de haber descrito esos
sensores «ingeniosamente desplegados», estos científicos no se lanzaron a
inventar historias. Su método fue observar un fenómeno y buscar un propósito para el mismo.
Así, ¿cuál es
el propósito del rápido remodelado estructural
de las sinapsis de las NSOs? La renovación de las sinapsis desempeña claramente
una función esencial durante la formación de los circuitos (y en el caso
del BO, incorporación de neuronas recién nacidas a circuitos existentes) mediante
la habilitación de la selección, el refinado y la corrección de errores.
De ahí, unas estructuras fugaces pre- o post sinápticas pueden representar
aquellas que no alcanzan a ubicar un participante sináptico, o que forman
conexiones inapropiadas que resultan rápidamente eliminadas. Esto puede
explicar por qué se forman y eliminan más rápidamente los terminales
presinápticos inmaduros de NSOs que sus correspondientes maduros (Figs
4, 5). De manera alternativa, esas estructuras sinápticas fugaces pueden
representar contactos sinápticos
efímeros que contribuyen temporalmente a la función de la red, o que desempeñan
otras funciones como promover la estabilización
de las ramas de los axones. Sea cual
fuere la función de las estructuras sinápticas fugaces, la formación y eliminación continuadas de las
sinapsis dota a los circuitos del BO de
un potencial de plasticidad que se puede aprovechar cuando es necesario,
como durante el aprendizaje o en
respuesta a una experiencia alterada.
¡Así es como se piensa! Ha de haber una función, un propósito, un
potencial. Al principio, parecería
sorprendente que se dé tanto remodelado de los circuitos. ¿Qué fabricante de
chips alteraría circuitos integrados mientras están en uso? Quizá los
fabricantes podrían aprender algo de la manera en que se elaboran las cosas en
la vida.
Está claro que un salmón experimenta una gran cantidad de
«aprendizaje» y de «experiencia alterada» al ir creciendo desde un alevín a un
adulto, nadando corriente abajo a través de un revoltijo de nuevas experiencias
sensoriales, memorizando cientos de nuevos olores y cartografiándolos en su
memoria. Es posible que el cerebro y el bulbo olfatorio desencadenen algo de
aquel remodelado de circuitos en elaborados bucles de realimentación,
fortaleciendo las conexiones con señales débiles o reduciendo las conexiones a
señales muy fuertes. Esto trae a la mente a un experto en una mesa de mezclas
girando botones y desplazando regletas hasta conseguir la experiencia global
ideal en el espacio acústico. Pero en el espacio olfatorio, los controles deslizantes
del salmón están automatizados. «Sea cual fuere la función» de esas conexiones
fugaces, podemos inferir de los resultados —como que un salmón puede detectar
odorantes en unas pocas partes por billones— que contribuyen a la espectacular comportamiento
del sistema olfativo.
Ya
hemos considerado antes la «plasticidad» como reto al darwinismo. ¿Por qué
iba un proceso evolutivo a crear un «potencial de plasticidad» que «se puede aprovechar
cuando es necesario» en caso de una experiencia alterada? La evolución
darwinista no tiene anticipación. Pero la plasticidad tiene perfecto sentido
desde una perspectiva de la biología basada en el diseño deliberado. No hay
mejor ejemplo que el que tenemos ahí mismo, en la nariz del salmón, donde el
sistema olfativo encontrará numerosos nuevos ambientes a lo largo de un período
de años. Las expectativas de los científicos de funciones para la plasticidad sináptica quedaron confirmadas en sus
conclusiones (los lectores encontrarán los detalles en el artículo, de acceso
abierto).
Otra observación. Los científicos descubrieron que el
remodelado de los circuitos es «mucho más rápido» que la sustitución. En tanto
que las NSOs se van sustituyendo a lo largo de la vida, el «potencial de
plasticidad» del remodelado de los circuitos proporciona una respuesta más
rápida, dando al animal un ajuste fino tanto a alta velocidad (transitorio)
como a baja velocidad (permanente) de su sistema olfativo. Como es cierto de
los ratones, es indudablemente cierto también en nuestro caso.
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