Las planarias como especie de estudio en la cognición basal

Por Nadia Flores Martínez y Michel S. Varela Orozco

Facultad de Psicología, UNAM

Diciembre 2022

Introducción

Nuevas posturas sobre la cognición tienen su origen en perspectivas darwinianas, en su libro "El origen de las especies" basándose en sus observaciones Darwin propuso que toda la diversidad de organismos en la tierra evolucionó desde organismos más simples, en última instancia de criaturas unicelulares. De manera escalonada y gradual se fue desarrollando toda forma de vida, desarrollando cuerpos y capacidades que les ayudaron a sobrevivir, esto incluye capacidades mentales y conductas, desde este punto de vista se comenzó a estudiar conducta en microbios, bacterias y otros organismos (Lyon et al. 2021). A pesar de toda la cantidad de información y estudios que se han hecho sobre la cognición, no se ha llegado a un consenso sobre qué es exactamente y qué es lo que implica, sin embargo, para fines prácticos y menos antropocentristas utilizaremos la siguiente:

La cognición comprende los mecanismos sensoriales y de procesamiento de la información que tiene un organismo para familiarizarse, valorar e interactuar productivamente (explorar, explotar, evadir) con las características de su entorno para satisfacer sus necesidades existenciales, de las cuales, las más básicas son sobrevivir (supervivencia), crecer (prosperar) y reproducirse (Lyon et al., 2021, p. 4).

Debido a la falta de consenso, el estudio de la cognición ha tomado muchas formas en las últimas décadas, una de las más paradigmáticas es la que se rehúsa a aceptar al cerebro-centrismo como la doctrina de su estudio que sustenta la existencia de pensamientos, creencias, juicios, decisiones y otros procesos cognitivos evidentes en nuestra especie, y que por primera vez en mucho tiempo, extiende su panorama a la diversidad existente de especies que la biología conoce hasta ahora, para asignarles el título de seres con comportamientos al ejecutar una variedad de acciones autónomas (Levin y Denett, 2020) destinadas a la proyección de mecanismos adaptativos apropiados a las condiciones ambientales que amenazan su supervivencia (Shapiro, 2020), y que por tanto, pueden ser mirados bajo el ojo de la cognición.

Esta revolución científica está en boga actualmente, y ha generado la integración de diversas disciplinas como la cognición basal, la bioelectricidad del desarrollo, medicina regenerativa y bioingeniería sintética (Pezzulo et al., 2021), que se encuentren en búsqueda de explicaciones biologicistas en especies moleculares que atañen una similitud funcional antes ignorada con nuestra especie, sustentada en el hecho de que todos ellos, incluso aquellos procariontes con los genomas más pequeños, ejecutan respuestas cognitivas a estímulos internos y externos (Shapiro, 2020).

Una de las especies que ha tenido gran presencia en los laboratorios de investigación es la planaria, un animal multicelular que ha mostrado grandes capacidades: de regeneración, plasticidad y desarrollo. Otras de las características de este organismo es su gran presencia alrededor del mundo, la facilidad de crianza y reproducción, las cuales la han hecho popular en la comunidad de investigación (Rink, 2018). Cuentan con un cerebro y sistema nervioso simple (Figura 1), además de fuertes capacidades de toma de decisiones en sus piezas somáticas individuales (Levin et al. 2018) lo cual las hace un espécimen de interés para el estudio de la cognición.

Figura 1. Sistema nervioso de una planaria. En algunas descripciones anatómicas al cerebro se le denomina ganglios cefálicos, y a los ojos como manchas oculares debido a que no son órganos muy complejos.

En este escrito, reunimos una serie de resultados novedosos sobre diversos estudios realizados en planarias que demuestran lo útil y revolucionario que puede ser sobre un campo de estudio establecido, la consideración de variables externas que con normalidad irían fuera de la antropomorfización ante la que se nos educó. Incluimos la revisión de temas como la regeneración, la plasticidad del desarrollo, los entrenamientos de condicionamiento, la generación de patrones de memoria y su capacidad para heredar estos.

Cognición basal

La cognición es una función necesaria para la supervivencia, crecimiento, bienestar y reproducción de cualquier sistema biológico autónomo (Lyon et al., 2021). Todos los organismos vivos pueden ser objetos de estudio de la cognición, como Shapiro (2020) comenta, incluso las células de los procariontes buscan la mejor forma de adaptarse a su medio mediante funciones de comunicación celular como la coordinación adaptativa, el reconocimiento de parentesco en otros individuos, la defensa contra virus y elementos dañinos, la depredación dirigida, y las simbiosis guiadas por señales, formando una intrincada forma de organización igual, o incluso más compleja que la de los seres humanos. Lo anterior implica que la vida en cada uno de los niveles de desarrollo y todas sus formas implica la toma de decisiones difíciles, cuando los sistemas nerviosos evolucionaron por primera vez, para esto fue para lo que evolucionaron (Lyon et al. 2021).

De acuerdo con Lyon et al. (2021), la cognición basal incluye los procesos y mecanismos fundamentales que permitieron a los organismos sensar los estados ambientales y actuar de manera apropiada para asegurar su supervivencia y reproducción mucho antes de que los sistemas nerviosos existieran. Este enfoque sugiere que, dada la evolución, los procesos dependientes de la información en organismos pluricelulares podrían compartir procesos de mejora y optimización derivados de las capacidades cognitivas de sus antepasados pluricelulares.

Las planarias

Las planarias son un tipo de organismos invertebrados de la clase turbellaria, pluricelulares, con una amplia diversidad fenotípica, que presentan forma de gusanos aplanados y una pequeña cabeza usualmente triangular o a veces redondeada (con algunas variaciones cilindroides según la especie) que se encuentran geográficamente distribuidos en lugares con poca luz, dentro de cuerpos de agua dulce, mares y zonas húmedas de tierra de todo el mundo, siendo esta su principal forma de clasificación taxonómica: planarias de agua dulce (continenticola), de mar (maricola) y de tierra (cavernicola) (Rink, 2018).

Figura 2. Cerebro de la planaria en naranja (a), intestino en rosa (b), musculatura de la pared corporal en azul (c), neoblastos (d), ojo (e). Figura inspirada de Planarian anatomy, Ivankovic et al., (2019).

Figura 3. Representación del sistema nervioso (a) y del intestino (b) de las planarias.

Figura 4 Vista dorsal y ventral de la anatomía de la planaria.

El cuerpo de estos animalitos es bilateriano, de aproximadamente 1 a 50 mm de largo, de diversas coloraciones según su especie, carece de una cavidad interna, situando sus órganos en el conjunto de células que es a la vez su propio cuerpo, un tejido conectivo conocido como mesénquima, por donde absorben oxígeno (Gelambi, 2018), propiedad por las que se les conoce como seres “acelomados”, por lo que no tienen sistema respiratorio, circulatorio, ni esquelético. Se describen además como animales carnívoros, de hábitos nocturnos que poseen un intestino dividido en tres sacos (Figura 2b y Figura 3b), un sistema nervioso central formado por un par de cuerdas nerviosas ventrales que se engrosan al llegar a la cabeza para formar el ganglio cerebral (Figura 1, Figura 2a y Figura 3a), en donde contienen sus principales estructuras sensoriales: un par de surcos auditivos en los lóbulos laterales y ojos (algunas especies tienen más de un par o carecen de ellos), así como ovarios situados a un lado del cerebro y testículos foliculares entre los divertículos del intestino (Rink, 2018; y Gelambi, 2018). Un corte ventral y dorsal de la anatomía de las planarias ayuda a comprender mejor la ubicación de sus ojos, intestino, sistema nervioso, boca, y faringe vista ventral y dorsal de la anatomía de las planarias (Figura 4).

Regeneración y memoria

Las planarias poseen un extenso repertorio conductual que incluye una amplia detección de señales ambientales que comprenden desde señales químicas y gravitatorias, hasta radiación gamma (Levin et al. 2018). Una de las razones por las cuales se ha estudiado tanto este organismo es por sus grandes capacidades regenerativas. Al ser cortadas de cualquier parte de su cuerpo, cada parte de la planaria es capaz de crecer y regenerarse hacia su patrón a gran escala específico de su especie, parando precisamente cuando se logra ese patrón anatómico específico, es decir cuando logran desarrollar un cuerpo completo de acuerdo con su especie (Figura 5), logrando esto en alrededor de una semana o dos (Levin et al., 2018). Debido a que las planarias son de gran facilidad de crianza y de captación en hábitats presentes en todo el mundo, les ha hecho llegar a los laboratorios científicos, en donde pronto se descubriría lo fascinantes que son sus comportamientos y mecanismos biológicos autocoordinados y lo mucho que puede obtenerse de la capacidad que resguardan sus células pluripotentes.

Figura 5. Se representa la regeneración de los fragmentos de la cabeza, tronco y cola de la planaria, en la parte superior izquierda se pueden observar las líneas de corte, el tiempo de regeneración se representa en días post amputación (dpa). Figura referenciada de planarian regeneration, Ivankovic et al., (2019).

Las planarias están principalmente formadas por un tipo raro de células troncales, o células madre adultas (neoblastos pluripotentes), presentes en cantidades abundantes (~25%) y durante toda su vida. Organismos como nosotros y otros animales tenemos células madre con capacidades similares a éstas aunque se presentan en mayor medida al gestarnos como embriones y al nacer, para posteriormente ir disminuyendo en cantidad cada vez más a lo largo de nuestra vida, tienen una capacidad de dividirse en células diferenciadas, dotando al organismo de una capacidad de regeneración y recuperación en ocasiones en que es necesario para el sistema sobreponerse a procesos de inflamación o daño del tejido (Gonzales, et al., 2021).

Los neoblastos (Figura 2d y Figura 6) son células relativamente pequeñas (7-12 µm de diámetro), solo cuentan con dos tipos de organelos: ribosomas y mitocondrias distribuidas a lo largo del citoplasma, presentan una alta proporción de volumen núcleo-citoplasma que se distribuye por todo el mesénquima (Figura 2c y Figura 7) de la planaria (Ivankovic et al. 2019). Estos albergan prominentes gránulos de ARN (cuerpos cromatoides) con similitudes morfológicas y moleculares con los gránulos de ARN que se encuentran en las células germinales de muchos otros animales (Agata et al., 2006; Baguñà, 2012; Reddien and Sánchez Alvarado, 2004; Rink, 2018; Tanaka and Reddien, 2011; citados en Ivankovic et al. 2019).

Los genes específicos de los neoblastos incluyen aquellos que codifican componentes conservados del cuerpo cromatoide, además de otros genes conservados de la línea germinal (Ivankovic et al., 2019) estas células son la única fuente de células nuevas en las planarias, son las únicas células somáticas competentes para la división, cualquier situación o evento que genere una herida, por más pequeña que sea, activa la división de neoblastos (Baguñà, 1976a; Wenemoser and Reddien, 2010; citados en Ivankovic eta al., 2019).

Figura 6. Representación gráfica de los neoplástos de las planarias.

Figura 7. Representación gráfica del mesénquima de las planarias en donde se distribuyen los neoplástos.

Figura 8. Representación de distintos tipos de corte en el cuerpo de una planaria y ocurrirá el proceso de regeneración.

Esta propiedad permite a las planarias regenerarse de forma asombrosamente exacta cuando una de sus extensiones, ya sea la cola, la cabeza o cualquier parte, es cortada de su cuerpo (Figura 5 y Figura 8). Dicho fenómeno es explicado por investigadores como Pezzulo et al., (2021) como un proceso de control anatómico residente en los procesos de regeneración de múltiples células troncales, en el que el tejido realiza una toma de decisiones. Gonzales et al., (2021) hablan de una función homeostática en la que, además, tiene lugar una acumulación de memorias epigenéticas derivada de la percepción sensorial que tienen las células troncales de su entorno, mismos patrones de memoria que en las planarias, plantean Pezzulo et al. (2021), se vuelven reescribibles a largo plazo.

Le et al., (2021) describen la respuesta mecánica que tienen las planarias de especie Dugesia japonica al ser estimuladas con rayos UV en cada sección de su cuerpo: cuando es en la cabeza, la voltean, cuando es en la cola, la contraen y cuando es en la parte troncal, la elongan. Posteriormente realizan la misma estimulación, observando el proceso de rápida reorganización funcional que se lleva a cabo en la regeneración cuando son cortadas en estas tres secciones: al cortarse la cabeza, por ejemplo la parte anterior que se queda sin cabeza, actúa volteando en lugar alongarse, como si ahora fuera la parte que contiene la cabeza, demostrando que el cuerpo entero de estos animales cuenta con capacidades conductuales que se adaptan según el estado global del organismo en el tejido restante, para lograr responder a los estímulos del entorno.

Otros estudios cognitivos en las planarias

Conducta en planarias

Las neuronas en el cerebro de las planarias se asemejan más a las de los vertebrados que a las de los invertebrados, mostrando características típicas tales como una forma multipolar, espinas dendríticas con botones sinápticos, un axón, neurotransmisores similares, entre otras (Blackiston et al., 2015). Estos organismos presentan un sistema nervioso bien diferenciado y un CNS con sinapsis química, lo que según el modelo de Hebb satisface los requerimientos para tener plasticidad sináptica, esto implica que las planarias son organismos apropiados para ser modelos animales para el estudio de aprendizaje asociativo y memoria (Blackiston et al., 2015).

El cerebro de las planarias se encuentra activamente envuelto en paradigmas de evitación, reflejos de saciedad y conducta de apareamiento, aunque algunas especies se reproducen de manera asexual (Egger, Gschwentner, & Rieger, 2007; citados en Deochand, 2018). Curiosamente se han hecho experimentos en los que se observa conducta grupal en planarias, donde se involucran en conductas de protección mútua, tales como amontonarse juntas cuando se les estimula con luz ultravioleta, lo que las protege de los efectos dañinos de la radiación (Allee & Wilder, 1939; citado en Deochand, 2018), algunas especies recurren al canibalismo de otras especies cuando se encuentran en situaciones de escasez de recursos (Best, 1960; citado en Deochand, 2018).

Akiyama, Agata e Inoue (2018), sugieren que, en las planarias, al igual que en otras especies del reino animal, es importante el vínculo entre la arquitectura los órganos sensoriales y la espontaneidad del movimiento para conseguir reacciones eficientes y adaptativas, que lograron comprobar al estudiar la eficiencia de sus respuestas de evasión a las fuentes de luz gracias a su sistema binocular en adición a sus formas de movimiento de evitación. En línea con esta propuesta, se ha demostrado que algunas especies como la planaria Neotropical, tienen conductas de depredadores de emboscada, y de detección corporal de especies filogenéticamente similares o relacionadas a sus depredadores y respuesta de huída, planteando una posible necesidad de estimulación táctil para identificarlos (Kehoma & Leal-Zanchet, 2018).

Algunos otros estudios también se han concentrado en averiguar el efecto de diversos fármacos sobre las reacciones conductuales de las planarias, sólo por mencionar un ejemplo interesante, Pagán, et al., (2013) quienes experimentaron con planarias decapitadas, plantean que necesitan de un sistema nervioso intacto para reaccionar a la cocaína, de manera diferente a lo que sucede con la nicotina.

Condicionamiento clásico: habituación

Se han documentado pruebas de condicionamiento pavloviano simple en poblaciones de planarias dugesia japonica que proponen un mecanismo de aprendizaje por asociación en la resolución de problemas como una mirada interesante al estudio del procesamiento de información en planarias (Prados, et al., 2013). En un estudio posterior sobre el aprendizaje de invertebrados, Prados et al., (2020), demuestran con una serie de entrenamientos que las planarias son capaces de desarrollar habituación a largo plazo al ser entrenadas en contextos novedosos, mientras que su entrenamiento en espacios similares a su hábitat suele mostrar una serie de interferencias en el proceso de habituación.

A su vez, James McConell y Robert Thompson realizaron experimentos en donde después de entrenar exitosamente planarias usando condicionamiento clásico (utilizando luz y shocks eléctricos), se les cortaba por la mitad, cuando estos gusanos se habían regenerado por completo y se les volvió a aplicar el protocolo de entrenamiento. Los resultados demostraron que no sólo el fragmento de la cabeza recordaba el entrenamiento previo, sino que también los fragmentos que se regeneraron de la cola, o al menos estos últimos requerían menos tiempo de entrenamiento en comparación con organismos no entrenados (1962; citado en Blackiston et al., 2015).

De acuerdo con Levin et al. la mayoría de la investigación de conducta en planarias está basada en condicionamiento clásico (2013; citado en Deochand et al., 2018). Sin embargo, se han realizado algunos experimentos para lograr conductas operantes en planarias. Por ejemplo, en un estudio realizado por Chicas-Mocier y Abramson se buscó entrenar a planarias para que se movieran distancias más largas a lo largo de media caja de petri para obtener un reforzador, en este caso, agua (2015; citado en Deochand et al., 2018) se logró la conducta objetivo y se demostró que las planarias se movían más rápido después del entrenamiento que antes.

Conclusión

La revisión bibliográfica de este ensayo se centró en los resultados de las investigaciones más recientes realizadas en planarias, principalmente de las especies dugesia japonica y girardia tigrina, debido a que son las que tienen mayores capacidades regenerativas, con el fin de sostener la aportación que tienen a la creciente ciencia de la cognición basal. La diversidad de experimentos y estudios que se han hecho en ellas brindan información relevante acerca de su proceso evolutivo, las capacidades cognitivas de organismos simples, no sólo en ellas como un todo, sino también en sus células, dando indicios de que la cognición viene desde la unidad de vida.

Se encontró que, como todo ser biológico, la planaria exhibe tendencias de homeostasis, expresadas en la serie de comportamientos adaptativos que demuestran en su hábitat natural tanto en grupo como individualmente, y ante espacios experimentales sobre sus respuestas conductuales a estímulos del entorno, para los cuales también fue de utilidad evaluar la relevancia que tiene la configuración de sus receptores sensoriales ante la eficacia de respuestas de supervivencia. Dando margen al precepto teórico de que en el reino animal se adaptan los mecanismos receptivos en pro a la supervivencia de la especie y que en las planarias, explicaría la fácil regeneración del tejido que en combinación a los patrones de memoria que guardan sus células, buscan perseverar su vida con éxito de formas inigualables. Este último punto, también deja al aire una serie de cuestionamientos sobre la capacidad receptiva que guardan los códigos biológicos en las células con que cuentan los organismos de todo el árbol evolutivo, representando un parteaguas a los paradigmas existentes sobre el centro de estudio de la cognición.

De forma que las planarias son organismos con comportamientos tan complejos como los de otros integrantes del reino animal, a pesar de ser relativamente simples en su forma anatómica, lo que nos conduce a preguntarnos cuánto tiempo nuestro punto de vista evadió a los seres microscópicos, cuando la respuesta a las preguntas sobre la composición celular de nuestra especie y el interés que crea por su adherencia a la cognición, podría estudiarse también en seres invertebrados como las planarias, llevando a la ciencia a replantear muchos de sus principios antropocentristas.

Los estudios que se han hecho alrededor de estos seres a lo largo del siglo XX y el siglo XXI han sido sumamente sorprendentes y dejan muchas preguntas abiertas acerca del futuro de la investigación sobre regeneración y memoria transgeneracional, así como varios dilemas éticos al respecto, como los lineamientos que se deben seguir al manipularlos, qué nivel de conciencia pueden llegar a tener y si afecta en su estudio, si se llega a aplicar su principio regenerativo en humanos cómo se va a proceder, qué pasará con la calidad de vida, ¿podríamos llegar a ser inmortales?, ¿qué pasaría con la población mundial?, ¿podríamos pasar nuestra conciencia a otro cuerpo?’ La perspectiva de la cognición basal permite replantearnos muchas cosas que se consideraban dogmas en cognición, como el hecho de que se debe tener cerebro para poder tener procesos cognitivos, aunque las planarias sí cuentan con un sistema nervioso simple, a partir de su estudio, se han estudiado sus células y las capacidades de procesamiento con las que cuentan. Esta es una perspectiva nueva y todavía quedan muchas cosas por investigar y descubrir, sin embargo, es un buen paso para acabar con la visión antropocentrista de la cognición.

Videos Complementarios

Sobre el proceso de regeneración en planarias y cómo al cortarlas, las partes que no tenían cerebro a regenerarse presentan conductas aprendidas antes de ser fragmentadas.

Una planaria es fragmentada y se documenta su proceso de regeneración a través del tiempo.

Sobre la capacidad para heredar información aprendida durante la vida, usando datos obtenidos de experimentos con gusanos e inmunidad a virus.

Explica la regeneración de Deadpool con base en planarias.

Sobre el aporte que tiene la investigación de la regeneración en planarias, por el doctor e investigador del Instituto de Investigación Médica Stowers, Alejandro Sánchez.

Michel Levin habla sobre cómo la bioelectricidad afecta/guía el desarrollo de órganos en planarias y otros organismos vivos

Lecturas Complementarias

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referencias

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