Los insectos como las moscas de la fruta, por el contrario, sólo tienen 100.000 neuronas con las que trabajar. Sin embargo, su supervivencia depende de su capacidad para descifrar el significado de complejas mezclas de olores a su alrededor para localizar comida, buscar parejas potenciales y evitar a los depredadores. Los científicos han reflexionado sobre cómo los insectos son capaces de oler o extraer información de los olores, con un sistema sensorial olfativo mucho más pequeño en comparación con el de los mamíferos.

Los científicos de la Universidad de California en San Diego creen tener una respuesta a esta pregunta desconcertante. Palka Puri, Ph.D. en física. El estudiante, junto con el académico postdoctoral Shiuan-Tze Wu, el profesor asociado Chih-Ying Su y el profesor asistente Johnatan Aljadeff (todos en el Departamento de Neurobiología) han descubierto cómo las moscas de la fruta utilizan un sistema simple y eficiente para reconocer olores.

"Nuestro trabajo arroja luz sobre los algoritmos de procesamiento sensorial que utilizan los insectos para responder a estímulos olfativos complejos", dijo Puri, primer autor del artículo, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences. . "Demostramos que la organización especializada de las neuronas sensoriales de los insectos es la clave del rompecabezas:implementar un paso de procesamiento esencial que facilita los cálculos en el cerebro central".

Investigaciones anteriores sobre el sistema de procesamiento de olores en moscas se centraron en el cerebro central como el centro principal para procesar las señales de olor. Pero el nuevo estudio muestra que la efectividad de las capacidades sensoriales del insecto 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.

Las moscas huelen a través de sus antenas, que están repletas de pelos sensoriales que detectan elementos del entorno que las rodea. Cada cabello sensorial generalmente presenta 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 transmitidas por los cables interfieren entre sí mediante interacciones electromagnéticas."

Sin embargo, en el caso del sistema olfativo de las moscas, esta interferencia es beneficiosa. Los investigadores demostraron que cuando las moscas encuentran una señal de olor, el patrón específico de interferencia entre los receptores ayuda a las moscas a calcular rápidamente la "esencia" 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 de la mosca, donde la información sobre los olores presentes en el mundo exterior se traduce en una respuesta conductual.

Los investigadores construyeron un modelo matemático de cómo se procesan las señales de olor mediante 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 Puri, Aljadeff y sus colegas rastrear cómo las señales odoríferas de la periferia sensorial se integran en el cerebro central.

"Sorprendentemente, nuestro trabajo muestra que la combinación óptima de olores (la proporción precisa a la que cada cabello sensorial es más sensible) se define por la diferencia de tamaño genéticamente predeterminada entre las neuronas olfativas acopladas", dijo Aljadeff, miembro de la facultad de la Escuela de Biología. Ciencias. "Nuestro trabajo destaca el papel algorítmico de gran alcance de la periferia sensorial para el procesamiento de olores innatos y aprendidos en el cerebro central".

Aljadeff describe el sistema con una analogía visual. Al igual que 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 tiene el cableado para leer las imágenes de esta cámara tan especial para 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 pelos sensoriales. El hecho de que las señales transmitidas por las mismas moléculas de olor siempre interfieran entre sí en cada mosca, 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 hasta qué punto este preprocesamiento periférico puede influir en la función cerebral superior y en las operaciones de los circuitos".

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

"Estos hallazgos arrojan luz sobre los principios fundamentales de los cálculos sensoriales complejos en biología y abren puertas para futuras investigaciones sobre el uso de estos principios para diseñar potentes sistemas de ingeniería", afirmó Puri.