De olores y ritmos neuronales

30/08/2017 0 comentarios
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La mayoría de los mamíferos detectan las señales olorosas (y otras señales químicas del medio) mediante dos sistemas olfativos: el principal y el accesorio. Se piensa que la función de cada uno de estos sistemas es complementaria, pero cómo se coordina el funcionamiento de ambos y cómo se integra la información en el cerebro no se conoce bien. Hoy se publica en Scientific Reports un estudio del laboratorio de Neuroanatomía Funcional en la Universitat de València y la Jaume I de Castelló que pretende esclarecer esta cuestión. El estudio forma parte de la tesis doctoral de la investigadora Cecília Pardo-Bellver.

A diferencia de nosotros, que nos fiamos sobre todo de la vista para relacionarnos con el medio y con nuestros congéneres, muchos animales1 confían más de su olfato. De hecho, poseen dos sistemas para detectar señales químicas en el ambiente: el sistema olfativo principal (principal porque es el que se ha conservado en humanos, claro), y el sistema olfativo accesorio o vomeronasal (llamado accesorio porque en los humanos no lo encontramos, no porque su función sea menos importante).

La función de ambos sistemas es aún un tema controvertido. Simplificando mucho, el sistema olfativo principal, cuyo órgano sensorial es el epitelio olfativo en nuestra nariz, permite la detección de sustancias químicas volátiles muy variadas (o sea, olores). Las neuronas olfativas de nuestra nariz poseen receptores generalistas que pueden identificar miles de combinaciones olorosas. De hecho, en el ratón existen alrededor de mil genes que codifican receptores olfativos, mientras que en el humano se han encontrado más de trescientos. Por otro lado, el órgano sensorial del sistema olfativo accesorio es el órgano vomeronasal, un saco ciego sobre el techo del paladar. Las neuronas receptoras vomeronasales poseen receptores menos diversos y capaces de reconocer sustancias tanto volátiles como no volátiles, pero en este caso se trataría de sustancias de relevancia biológica, como feromonas sexuales, feromonas sociales o kairomonas (sustancias derivadas de predadores)2. Es decir, el sistema olfativo permitiría evaluar el ambiente, mientras el vomeronasal identificaría la presencia de congéneres y predadores.

 Fuentes: http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2013/03/07/why-animals-sniff-to-say-hello/#.WabyNTMrylM y http://www.bbc.com/news/science-environment-33380669

En el cerebro existen estructuras que reciben información olfativa (como el bulbo olfativo principal, la corteza piriforme y algunos núcleos de la amígdala), núcleos que reciben información vomeronasal (el bulbo olfativo accesorio, la amígdala medial y la posteromedial cortical), y núcleos que reciben ambos tipos de información (como la amígdala medial anterior).

Se sabe que la actividad del sistema olfativo cerebral se encuentra acoplada a los ritmos respiratorios, pero ¿lo está también la actividad del sistema vomeronasal? ¿Cómo procesa la información el sistema vomeronasal, es decir, cómo responden las estructuras cerebrales vomeronasales a estímulos de congéneres de carácter sexual (feromonas de individuos de sexo opuesto) o social (feromonas de individuos del mismo sexo)? ¿Cómo se coordina la actividad de ambos sistemas para proporcionar al animal el panorama completo de su entorno? A estas preguntas quiso responder la investigadora Cecília Pardo-Bellver en su tesis doctoral. Para poder investigar estas cuestiones, Cecília y el equipo del laboratorio NeuroFun registraron mediante técnicas de electrofisiología la actividad oscilatoria de ambos sistemas en hembras de ratón mientras éstas entraban en contacto con viruta que contenía estímulos olfativos y no relevantes desde el punto de vista biológico (viruta aromatizada con geraniol, un olor floral), u estímulos olfativo/vomeronasales y biológicamente relevantes (viruta de las cajas de otras hembras, machos castrados –ambos estímulos sociales-, o machos –estímulos sexuales). También comparó la actividad neuronal cuando las hembras se exponían a viruta limpia como control. Los electrodos de registro se encontraban en algunas de las estructuras que hemos nombrado: los bulbos olfativos principal y accesorio, la amígdala medial y la posteromedial cortical.

En primer lugar, se analizó el comportamiento de las hembras: las ratonas con acceso a viruta de congéneres pasaron más tiempo investigándola que aquellas con acceso a viruta con olor floral o viruta limpia, lo que nos indica el mayor interés de los animales por los olores de otros ratones. Cuando los animales se encontraban en reposo, es decir, no se acercaban a olfatear las virutas, el análisis electrofisiológico mostraba una actividad predominante en la banda de las ondas delta (<2Hz). Por el contrario, cuando el animal olfateaba los estímulos, el patrón de actividad prevalente era de ondas theta (4-10Hz)3. Además, la actividad oscilatoria en el bulbo olfativo accesorio mostraba un patrón similar al descrito previamente para el bulbo olfativo principal, y la actividad de ambos se encontraba asociada a los olfateos del animal, si bien los picos de respuesta en ambos bulbos se encontraban en momentos distintos del ciclo respiratorio. En todo caso, a la primera pregunta planteada, (¿se encuentra la actividad del sistema vomeronasal acoplada al ritmo respiratorio?) podemos responder afirmativamente.

A continuación, los investigadores compararon los patrones oscilatorios en las estructuras cerebrales cuando los animales olfateaban los distintos estímulos. Tanto en el bulbo olfativo principal como en el accesorio, la actividad fue diferente frente a estímulos neutros (viruta limpia/olor floral), con valores de frecuencias más bajos que frente a olores de congéneres. Pero en los bulbos olfativos, la actividad fue la misma frente a todos los olores de congéneres, ya fuesen de hembra, de macho o de macho castrado. Por el contrario, en la amígdala medial se encontraron picos de respuesta mayores cuando los animales exploraban olor de macho, mientras que en la amígdala posteromedial cortical los mayores picos correspondieron al olor de hembra. Además, en esta última estructura el olor a hembra indujo un incremento en las oscilaciones en la banda de gamma (30-95Hz).

Diagramas que representan la actividad theta en cada núcleo. AOB, bulbo olfativo accesorio; MOB, bulbo olfativo principal; PMCo, amígdala posteromedial cortical; Me, amígdala medial. Fuente: Pardo-Bellver et al, 2017 

En conclusión, la exploración de estímulos olorosos conlleva unos patrones oscilatorios (ondas theta y/o gamma) específicos en distintos nodos cerebrales del sistema vomeronasal según su naturaleza, es decir, distintos núcleos responden de manera diferente a estímulos olfativos generales, sexuales o sociales. En concreto, este estudio extiende las evidencias que ya teníamos sobre el papel de la amígdala medial como clave para el comportamiento sexual, y revela un dato inédito sobre el papel de la amígdala posteromedial cortical en la identificación de congéneres del mismo sexo. Con todo lo expuesto, este estudio aporta nuevos datos que nos permiten entender cómo los animales integran la información química de su ambiente y obtienen una representación completa de la misma, para poder escoger la respuesta comportamental adecuada en cada situación, ya sea aproximarse a un congénere atractivo de sexo opuesto o establecer contacto social con un congénere del mismo.

Representación esquemática de los principales hallazgos del estudio de Pardo-Bellver et al, 2017

 

Referencia

Cecília Pardo-Bellver, Sergio Martínez-Bellver, Fernando Martínez-García, Enrique Lanuza & Vicent Teruel-Martí (2017) Synchronized Activity in The Main and Accessory Olfactory Bulbs and Vomeronasal Amygdala Elicited by Chemical Signals in Freely Behaving Mice. Scientific Reports 7, Article number: 9924

Notas
1. La mayoría de los tetrápodos como ratones, perros, gatos, lagartijas, serpientes... o mejor, todos los tetrápodos excepto cocodrilos, aves, cetáceos, algunos murciélagos y algunos primates, poseen ambos sistemas olfativos. Para una revisión sobre los sistemas olfativos y vomeronasales, ver aquí: Fortes-Marco L, Lanuza E, Martinez-Garcia F. 2013. Of pheromones and kairomones: what receptors mediate innate emotional responses? Anat Rec (Hoboken). 296(9):1346-63. 
2. El sistema vomeronasal no es funcional en humanos. De hecho, la presencia de feromonas no está nada clara, aunque sí parece que el sistema olfativo pueda ejercer su influencia en nuestro comportamiento social. 
3. Para aprender un poco sobre patrones oscilatorios, ver aquí:Buzsáki G, Watson BO. Brain rhythms and neural syntax: implications for efficient coding of cognitive content and neuropsychiatric disease. Dialogues Clin Neurosci. 2012 Dec;14(4):345-67.