Cómo las moscas de la fruta utilizan representaciones internas de la dirección de la cabeza para apoyar la navegación dirigida por objetivos

• 31 de agosto de 2024

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Se sabe que el comportamiento animal depende de transformar la información sensorial en comandos motores, a menudo influenciado por las necesidades internas de un animal. Mientras que en mamíferos y otros animales grandes este proceso es apoyado por complejos procesos cerebrales, versiones más simples de este proces también pueden guiar el comportamiento de organismos vivos más pequeños, incluidos los insectos.

Para planificar sus acciones cuando las señales sensoriales no están disponibles, algunos animales han evolucionado para depender en cambio de representaciones internas de su relación con su entorno. Estas representaciones podrían incluir información relacionada con su dirección de la cabeza o recopilada por las células de lugar, neuronas en el hipocampo que forman 'mapas' internos de ambientes.

Investigadores del Instituto Médico Howard Hughes exploraron recientemente cómo las moscas de la fruta mapean simultáneamente nuevos entornos y utilizan estas representaciones internas para aprender qué objetivos perseguir. Su artículo, publicado en Neuron, ofrece nuevas ideas sobre cómo las representaciones internas pueden guiar el comportamiento dirigido por objetivos de los animales.

"Anclar objetivos a representaciones espaciales permite una navegación flexible pero es desafiante en entornos novedosos cuando ambas representaciones deben adquirirse simultáneamente", escribieron Chuntao Dan, Brad K. Hulse y sus colegas en su artículo. "Proponemos un marco de cómo Drosophila usa representaciones internas de la dirección de la cabeza (HD) para construir representaciones de objetivos mediante refuerzo térmico selectivo."

Los investigadores realizaron experimentos con moscas de la fruta comunes (Drosophila melanogaster). El comportamiento de las moscas fue condicionado utilizando calor, que se vinculó con diferentes instancias de patrones visuales que se repetían.

Estos patrones visuales alteraron las representaciones internas de la dirección de la cabeza de las moscas, lo que permitió a los investigadores observar cómo la evolución de las representaciones de dirección de la cabeza interactuaban con los objetivos de las moscas para dar forma en última instancia a su comportamiento. Utilizando algoritmos de aprendizaje automático y datos recopilados durante estudios anteriores sobre moscas de la fruta, los investigadores trataron de determinar cómo podrían llevarse a cabo estos procesos dentro de una región del cerebro de los insectos conocida como el complejo central.

"Mostramos que las moscas utilizan fijaciones generadas estocásticamente y sacadas dirigidas para expresar preferencias de dirección en un paradigma de aprendizaje visual operante y que las neuronas de dirección de la cabeza son necesarias para modificar estas preferencias basadas en el refuerzo", escribieron Dan, Hulse y sus colegas. "Utilizamos una configuración visual simétrica para exponer cómo evolucionan simultáneamente las representaciones de la dirección de la cabeza y los objetivos de las moscas, y cómo la confiabilidad de estas representaciones interactivas impacta en el comportamiento."

Los hallazgos de este estudio reciente ofrecen nuevas ideas sobre cómo las moscas mapean simultáneamente su entorno y vinculan objetivos internos a mapas creados cuando experimentan por primera vez un nuevo entorno. Al analizar sus datos experimentales y resultados previamente recopilados utilizando modelos computacionales, los investigadores crearon un marco que describe cómo el cerebro de las moscas de la fruta respalda el comportamiento dirigido por objetivos de los insectos en entornos nuevos.

"Describimos cómo el aprendizaje rápido de nuevas direcciones de objetivos puede descansar en una política de comportamiento cuyos parámetros son flexibles pero cuya forma está genéticamente codificada en la arquitectura del circuito", escribieron Dan, Hulse y sus colegas. "Tales arquitecturas estructuradas evolutivamente, que permiten un comportamiento rápidamente adaptable impulsado por representaciones internas, pueden ser relevantes en toda la especie."

Aunque el equipo llevó a cabo sus experimentos en moscas de la fruta, las arquitecturas de circuito y procesos que se parecen a los que descubrieron también podrían existir en otras especies. Futuros estudios que empleen técnicas genéticas podrían arrojar más luz sobre las células que median en el proceso de aprendizaje dirigido por objetivos identificado por los investigadores o podrían ayudar a identificar procesos análogos en otros animales.

Más información: Chuntao Dan et al, Una arquitectura de circuito neuronal para un aprendizaje rápido en la navegación dirigida por objetivos, Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.036

Información del diario: Neuron

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