Viaje alucinante al interior del cerebro de los mosquitos picadores
Estos insectos cuentan con más de 200.000 neuronas que realizan más procesos que un superordenador
Un mosquito en primer plano. | CSIRO (Xinhua News)
Moscas y mosquitos poseen cerebros simples y eficientes formados por unas 200.000 neuronas con las que logran desarrollar más procesos que un superordenador. Una reciente investigación ha revelado que los cerebros de los dípteros codifican características odoríferas únicas para seleccionar a sus víctimas humanas.
La hematofagia –la alimentación con sangre– es extremadamente rara en insectos. Del millón aproximadamente de especies de insectos conocidas, solamente unas 10.000 se alimentan de sangre de animales vivos. La mayoría son generalistas que pican a cualquier vertebrado que encuentran a su paso y alrededor de un centenar de ellas se alimentan preferentemente de seres humanos.
Una forma particularmente agresiva del mosquito Aedes aegypti ha evolucionado para especializarse en picar a los humanos hasta convertirse en un eficaz vector de los virus que cada año acaban con la vida de cientos de miles de personas y causan enfermedades crónicas como la malaria, el dengue, la chikunguña y el zika. Esa forma doméstica coexiste con una forma ancestral de bosque (Aedes aegypti formosus), que se encuentra a lo largo de la costa de Kenia y practica la hematofagia en animales no humanos.
Las hembras de esos mosquitos seleccionan casi exclusivamente el olor humano entre los de otros animales, pero no se sabe cómo los distinguen. Los olores de los vertebrados son mezclas complejas de sustancias químicas volátiles que comparten muchos componentes, lo que hace que la discriminación entre ellos sea un interesante desafío de codificación sensorial.
Este problema es relevante en el caso de los mosquitos Ae. aegypti, cuyas hembras pueden detectar animales vertebrados utilizando el dióxido de carbono del aliento y otras señales generales como el calor corporal, la humedad y el contraste visual, pero que dependen en gran medida del olor corporal para la discriminación entre especies y muestran una fuerte preferencia por el olor humano frente al de otros animales. (Figura 1).
El olor humano está formado por muchos compuestos diferentes y estos mismos compuestos también están presentes, aunque en diferentes proporciones, en la mayoría de los olores de los mamíferos. Investigaciones anteriores han demostrado que los compuestos emitidos aisladamente no son atractivos para los mosquitos y que, además de requerir una mezcla múltiple para experimentar una atracción potente, las hembras pueden discriminar en función de las proporciones en las que se mezclan los diferentes compuestos. El reto es determinar las proporciones exactas de unos y otros que los convierten en atractivos.
La pregunta fundamental es qué detectan los mosquitos y cómo. En una investigación cuyos resultados han sido publicados este mismo mes, los científicos parecen haber logrado penetrar en el cerebro de Ae. aegypti para preguntarle: «¿Qué puedes oler? ¿Qué alumbra tu cerebro? ¿Qué está activando tus neuronas? ¿Cómo se activa tu cerebro de manera selectiva cuando detectas el aroma humano frente al animal?».
Cómo se hizo el experimento
Los mosquitos detectan la mayoría de las señales químicas volátiles utilizando receptores expresados en miles de neuronas sensoriales olfativas dispersas por las antenas y los palpos maxilares. El cerebro del mosquito tiene 60 centros nerviosos llamados glomérulos. Las neuronas que expresan el mismo conjunto de receptores específicos envían axones a un solo glomérulo olfativo situado dentro del lóbulo del cerebro que regula las antenas (Fig. 1c), lo que hace de ese glomérulo un lugar ideal para descifrar la codificación de las mezclas de olores humanos.
Los investigadores desarrollaron herramientas para visualizar las respuestas provocadas por olores en los terminales de las neuronas sensoriales olfativas de dicho glomérulo olfativo. Se centraron en particular en el subconjunto de neuronas que expresan receptores de olores (OR), porque estos tienen un papel crítico en la discriminación del huésped. Las hembras que portan mutaciones en el correceptor OR «orco» —uno de los genes esenciales en el sistema olfativo de los insectos— se sienten atraídas por los hospedantes, pero apenas discriminan entre humanos y animales.
Utilizando el editor genético CRISPR-Cas9, ya empleado en investigaciones sobre el comportamiento de los temibles Anopheles gambiae, el equipo de investigación creó mosquitos Ae. aegypti genéticamente modificados que expresan el indicador de calcio GCaMP6f controlado endógenamente por el locus «orco». Los mosquitos adultos transgénicos mostraban expresión de GCaMP6f en neuronas sensoriales que se proyectan en aproximadamente 34 de los 60 glomérulos del lóbulo de la antena.
Dicho de otro modo, estos insectos transgénicos tenían cerebros que se iluminaban como mapas de calor cuando estaban activos. Esto permitió a los científicos obtener imágenes cerebrales en alta resolución (Figura 2) cuando, utilizando un sencillo túnel de viento (Figura 1), suministraron aire con aromas humanos y animales para determinar qué atraía la atención de los mosquitos. Todos los aromas se administraron en mezclas de cuatro concentraciones (de 1/25x a 5x).
El olor humano evoca respuestas neuronales únicas
Tres glomérulos dominaron las respuestas a dosis bajas y medias (Fig. 2a-d). El glomérulo de sintonización amplia (Figura 2b) resultó activado indistintamente por el olor de las tres especies (flechas azules). Otro, (H), respondía enérgicamente al olor humano, pero era insensible o poco sensible a los animales (flechas verdes). Un tercer glomérulo (A) resultó fuertemente activado por ambos animales, pero no por los humanos (flechas naranjas).
Aunque se activaron glomérulos adicionales con la dosis más alta de cada combinación (Figura 2b-d) y puede haber respuestas débiles por debajo del umbral de sensibilidad, lo llamativo es la simplicidad del patrón. La actividad relativa de los tres glomérulos separó los olores humanos y animales a través del gradiente de concentración (Figura 2e).
La respuesta neuronal al olor humano debería ser reconocible por las características químicas de las mezclas de olores humanos cuya gama de compuestos volátiles se originan a partir de las secreciones y del microbioma de la piel y de las interacciones entre ambos. Para comprobarlo, los investigadores hicieron varios experimentos (Figura 3).
Encontraron que los mosquitos que seleccionan humanos detectan dos aldehídos de cadena larga, decanal y undecanal, que se originan a partir de lípidos exclusivos del sudor emanados en la base de los folículos pilosos de la piel humana y provocan una respuesta fuerte y prolongada en el glomérulo H.
La activación de este, unida a la de un segundo glomérulo de sintonización amplia, impulsa la búsqueda activa de la víctima, lo que da como resultado una señal binaria con el potencial de explicar la preferencia a larga distancia por el olor humano frente al olor animal.
Este viaje al interior del cerebro de los mosquitos ofrece nuevos conocimientos sobre su preferencia por los humanos y sobre la codificación neuronal que ha evolucionado en los cerebros de los animales para discriminar estímulos olfativos complejos.
Desde el punto de vista práctico, esta investigación puede ayudar al desarrollo de nuevos repelentes que nos permitan disfrutar del agradable aire exterior sin miedo a que estos insectos nos roben la sangre o nos transmitan virus peligrosos.
