Mapeando el Control Motor en Moscas: Perspectivas sobre la Coordinación del Movimiento

Los comportamientos motores, desde reflejos simples hasta movimientos complejos, vienen de la actividad de las Neuronas Motoras (MNs). Estas neuronas envían señales desde el cerebro y la médula espinal a los músculos del cuerpo. Una sola neurona motora y las fibras musculares que controla crean lo que se conoce como una Unidad Motora. Diferentes patrones de uso de estas unidades motoras permiten a los animales realizar una amplia gama de acciones. Los investigadores han estudiado cómo estas unidades motoras trabajan juntas observando cómo se mueven las extremidades y cómo viajan las señales eléctricas a través de los nervios. Sin embargo, las maneras en que se ensamblan estas unidades motoras dependen de la estructura y conexiones de las neuronas en el cerebro y la médula espinal. Entender estas conexiones puede dar pistas sobre cómo el sistema nervioso coordina los movimientos.

Los avances recientes en tecnología han hecho posible crear mapas detallados de neuronas y sus conexiones usando un método llamado Conectómica. Esto ha llevado a la creación de conectomas, que son mapas completos de las conexiones neuronales en ciertos organismos, como el pequeño nematodo y la larva de la mosca de la fruta. Estos mapas nos ayudan a aprender más sobre cómo el sistema nervioso controla los movimientos, como el patrón en onda que hacen los gusanos. Los científicos también han recopilado datos sobre el cerebro de la mosca de la fruta y su médula espinal, que funcionan de manera similar a las médulas espinales de los vertebrados. Analizar estos conjuntos de datos permite a los investigadores comparar cómo se controlan diferentes extremidades.

Las moscas usan sus patas para varias actividades, incluyendo caminar, acicalarse y pelear. La posición de la punta de cada pata se determina por el movimiento en cinco articulaciones, siendo la primera la que ofrece mayor rango de movimiento. Cada pata tiene más de dos músculos que actúan en la mayoría de las articulaciones. La pata delantera, por ejemplo, contiene 18 músculos que son controlados por 69 neuronas motoras. Estas neuronas motoras se dividen además en grupos que trabajan juntas para controlar los movimientos musculares.

En muchas especies, las neuronas motoras de un grupo tienden a disparar en un orden específico para controlar las contracciones musculares de manera suave. Este orden de disparo se basa en un principio conocido como el principio de tamaño, que sugiere que las neuronas motoras más pequeñas que controlan fibras musculares más lentas se activan primero, seguidas por neuronas motoras más grandes que controlan fibras más rápidas. El cableado exacto de las neuronas en el cerebro que crea este orden no ha sido completamente explicado desde que fue descubierto.

La forma en que las moscas controlan sus alas es diferente de cómo controlan sus patas. Las neuronas motoras de las alas no parecen seguir los mismos patrones de reclutamiento. En cambio, dependen de múltiples grupos musculares con propiedades únicas para el aleteo. Estos músculos se dividen en los que crean la potencia principal para volar y los que ajustan la rigidez y controlan la trayectoria del ala. Cada músculo que contribuye al movimiento del ala es controlado por neuronas motoras individuales, que trabajan independientemente en lugar de ser parte de un grupo motor más grande.

Si bien estudios anteriores han proporcionado información sobre cómo funcionan los músculos de las alas, se ha entendido menos sobre cómo los circuitos neuronales en el cerebro coordinan estos movimientos. Al usar conectómica, los científicos pueden reconstruir cómo las entradas sinápticas del cerebro se conectan a las neuronas motoras tanto de las patas como de las alas. Esto permite comparar cómo están dispuestos los circuitos neuronales para manejar la biomecánica única de cada extremidad.

Los investigadores reconstruyeron las conexiones de todas las neuronas que envían señales a las neuronas motoras de la pata delantera izquierda y la ala izquierda. Se enfocaron en la pata delantera, que está diseñada para sentir y tiene una mayor capacidad de movimiento que otras patas. El análisis reveló que las neuronas motoras en la pata reciben numerosas sinapsis de varias neuronas premotoras. En promedio, cada neurona motora tiene alrededor de 3,641 sinapsis de entrada provenientes de 188 neuronas premotoras.

La mayoría de la entrada sináptica a las neuronas motoras de las patas y las alas proviene de Interneuronas locales dentro de la médula espinal. Si bien investigaciones previas destacaron el papel de las neuronas descendentes desde el cerebro, resulta que estas neuronas descendentes contribuyen con un porcentaje menor de sinapsis. Esto sugiere que la mayoría de las señales del cerebro se procesan a través de circuitos locales antes de llegar a las neuronas motoras.

Se observaron algunos patrones únicos en las conexiones de entrada. Por ejemplo, ciertas neuronas motoras de las alas mostraron una alta frecuencia de disparo durante el vuelo, lo que indica su dependencia de retroalimentación sensorial para el tiempo.

El estudio también exploró cómo las neuronas motoras dentro de un grupo trabajan juntas. Por ejemplo, muchas unidades motoras en las patas trabajan con músculos que crean torque alrededor de una articulación. Los hallazgos indicaron que las unidades motoras con funciones similares tienden a recibir tipos similares de entrada, formando módulos de neuronas motoras que actúan juntas. Este agrupamiento revela cómo el sistema nervioso simplifica el control del movimiento al mantener conectadas unidades motoras relacionadas.

Al mirar los módulos para las alas, los investigadores señalaron que los patrones de entrada eran mucho más complejos. Diferentes músculos de dirección recibieron conexiones de entrada variadas. Esta flexibilidad podría permitir un control más preciso de los movimientos del ala.

Los resultados sugieren que, si bien los módulos de las patas favorecen una estructura jerárquica donde se activan primero las neuronas más pequeñas, los módulos de las alas están estructurados para permitir una diversidad de movimientos, habilitando a la mosca para realizar maniobras complejas. Las diferencias en cómo las neuronas locales se conectan a estos módulos motores reflejan las demandas únicas de la biomecánica de cada extremidad.

Entender cómo se conectan varios tipos de neuronas y cómo procesan señales abre más preguntas sobre el control motor. Sugiere que, aunque los números y tamaños de las neuronas motoras varían, sus patrones de conexión están organizados para adaptarse a sus funciones específicas, ya sea caminar simple o vuelo complejo.

En general, el trabajo proporciona valiosas ideas sobre las conexiones neuronales que subyacen al movimiento en las moscas. Al comparar patas y alas, los investigadores pueden aprender sobre las diferentes estrategias que usa el sistema nervioso para controlar varios tipos de movimiento. Con este conocimiento, se pueden llevar a cabo más estudios para descubrir más sobre cómo estos circuitos se desarrollan y se adaptan a las necesidades del animal.