El cerebro de las abejas revela secretos del aprendizaje humano

Un equipo multidisciplinar del Fralin Biomedical Research Institute en Virginia Tech Carilion (Estados Unidos) ha identificado por primera vez patrones de actividad química cerebral que anticipan la velocidad con la que cada abeja forma nuevas asociaciones. Esto aporta información clave sobre la biología del aprendizaje y la toma de decisiones.

Los resultados, publicados en Science Advances, muestran que el equilibrio entre octopamina y tiramina determina si una abeja aprenderá rápido, lento o no aprenderá al asociar un olor con una recompensa. Como estos mismos neurotransmisores guían la atención y el aprendizaje en los humanos, los hallazgos podrían ayudar a explicar por qué las personas aprenden a ritmos distintos y cómo estos procesos se alteran en diversos trastornos cerebrales.

Los patrones químicos detectados aparecen antes de que comience el aprendizaje y vuelven a surgir cuando se manifiesta un comportamiento aprendido, revelando cómo los neurotransmisores regulan la atención y refuerzan la memoria.

"El aprendizaje es un proceso continuo. Estos hallazgos indican que el cerebro de una abeja podría estar sintonizado para diferentes velocidades o tipos de aprendizaje dependiendo de la actividad de los sistemas neuromoduladores, en particular la octopamina y la tiramina", dice a SINC Paul Sands, coautor del estudio en la institución americana.

El equilibrio entre octopamina y tiramina, neurotransmisores neuromoduladores presentes en insectos, cambia con el tiempo en respuesta a diversos factores, como el rol de la abeja en la colmena, su estado nutricional o la estación del año.

"Nuestros resultados son consistentes con la idea de que la dinámica de estos neurotransmisores establece el tono de cómo se desarrollará el aprendizaje a medida que la abeja entra en diferentes estados", añade el científico.

Además, la combinación de neurociencia y aprendizaje automático les ha permitido estudiar en tiempo real la química cerebral compleja. El trabajo permite comprender cómo las interacciones de estos químicos moldean el aprendizaje en distintas especies.

"Este método permite plantear numerosas preguntas interesantes sobre el monitoreo de moléculas de señalización específicas en regiones cerebrales concretas de humanos y otros animales despiertos y activos", explica Sands.

Equipo investigador del experimento. / Virgina Tech

Cómo aprenden las abejas

El laboratorio de Read Montague, del Fralin Biomedical Research Institute, estudia cómo las abejas reconocen olores y recompensas, combinando experimentos con modelos computacionales que predicen su comportamiento. Montague trabaja junto a Brian Smith, de la Universidad Estatal de Arizona, y se inspira en la investigación del fallecido neurocientífico Martin Hammer, quien "avanzó nuestra comprensión de los mecanismos neuronales de la memoria y el aprendizaje en insectos".

En 1995, Montague publicó en Nature un modelo que muestra cómo señales de neuronas individuales guía a las abejas en entornos desconocidos, ayudándolas a decidir qué vistas y olores perseguir. Este enfoque permite entender cómo un cerebro diminuto realiza tareas complejas de aprendizaje y toma de decisiones.

Las abejas viven vidas cortas y deben adaptarse rápidamente a cambios en su entorno. Como explica Smith: "Una abeja no puede nacer sabiendo lo que necesita para encontrar flores y recolectar néctar y polen. Esa abeja tiene que ser una máquina de aprendizaje. Debe estar preparada para olvidar lo que aprendió ayer y aprender algo nuevo hoy".

El modelo computacional muestra que aprenden mediante predicciones sucesivas que conducen a recompensas. "Las abejas tienen sistemas sofisticados para esto", dice Montague. "Pueden usar estos sistemas para tomar decisiones cautelosas o arriesgadas". Los resultados coinciden con lo observado en los experimentos, confirmando la precisión del modelo.

La química del aprendizaje

Químicos cerebrales antiguos, relacionados con la adicción, la depresión y el déficit de atención, también regulan el aprendizaje en abejas. "Estos son sistemas evolutivamente muy, muy antiguos que todavía tenemos en nuestros cerebros", apunta Montague. "Puedes condicionar a la abeja con estímulos en el mundo que son relevantes en una persona".

Las abejas melíferas forman rápidamente asociaciones entre olores y recompensas, lo que las convierte en un modelo ideal para estudiar el aprendizaje. En Roanoke, los investigadores midieron la respuesta de extensión de probóscide, cuando la abeja extiende su tubo alimenticio al aprender que un olor predice el azúcar.

Como señala Seth Batten: "No solo fue un logro de ingeniería divertido y desafiante, sino que fue notable ver lo complejas que eran estas criaturas y qué rápido aprendían algunas".

Los investigadores registraron cuatro neurotransmisores clave: dopamina, serotonina, tiramina y octopamina, en el lóbulo antenal. Asimismo, usaron aprendizaje automático para seguir varios químicos al mismo tiempo. Descubrieron que las abejas se dividían en aprendices y no aprendices, y que la rapidez del aprendizaje estaba fuertemente ligada a la señal temprana y la fuerza de octopamina y tiramina, incluso antes de que el olor se emparejara con azúcar.

Los hallazgos muestran que la interacción entre octopamina y tiramina regula la sensibilidad y duración del aprendizaje. "En términos de biomedicina, entender las redes neuronales nos da una idea de cómo funcionan cerebros más grandes", dice Smith. Además, el estudio tiene implicaciones para la agricultura, ya que "gran parte de nuestra producción depende de las abejas".

Señales que guían el cerebro

El aprendizaje depende de la actividad coordinada de varios sistemas neuromoduladores, como la dopamina y la serotonina, en distintas regiones del cerebro. Desentrañar los roles de cada uno es un desafío, y nuestras mediciones en el lóbulo antenal de la abeja muestran solo una parte del panorama.

"Dicho aprendizaje es un proceso continuo, y el equilibrio dinámico entre los distintos neuromoduladores influirá en cómo se desarrolla el aprendizaje y la toma de decisiones. A medida que tu cuerpo y mente cambian de estado, el equilibrio de tus neuromoduladores influirá en cómo cambia tu comportamiento", argumenta Sands.

Aunque algunos roles de dopamina y serotonina pudieron pasar desapercibidos, el aprendizaje y el control del comportamiento requieren la coordinación de todos estos sistemas.

"En última instancia, la dopamina y la serotonina pueden tener roles que no pudimos observar completamente en nuestro diseño experimental. No obstante, el aprendizaje y el control del comportamiento dependerán de la actividad coordinada de todos estos sistemas neuromoduladores", asegura el investigador.

Esta investigación combina mediciones químicas cerebrales en tiempo real con aprendizaje automático: Este método abre la puerta a una gran cantidad de preguntas interesantes relacionadas con el monitoreo de moléculas de señalización específicas dentro de regiones cerebrales objetivo en humanos y otros animales despiertos y en comportamiento.

"El aprendizaje depende de la actividad coordinada de múltiples sistemas neuromoduladores como la dopamina y la serotonina y su actividad en diferentes regiones del cerebro. Desentrañar los roles distintos de cada neuromodulador es un desafío, y probablemente solo estamos viendo una pequeña parte del panorama general con nuestras mediciones en el lóbulo antenal de la abeja", concluye Sands.

Referencia:

"Octopamine and tyramine dynamics predict learning rate phenotypes during associative conditioning in honey bees". Science Advances

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