Los investigadores pasan a los cerdos guiñando un ojo y tomando una siesta para demostrar que las pruebas cerebrales funcionan

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Si alguna vez ha ido a un oculista, es muy probable que haya sentido una repentina bocanada de aire en el ojo que constituye una prueba tradicional para el glaucoma. No es la experiencia favorita de nadie, pero la bocanada no es invasiva e inofensiva.

Los científicos utilizan un método similar para probar el aprendizaje y la memoria en animales y humanos. Al igual que los experimentos clásicos de Pavlov que relacionan un estímulo neutro con una respuesta fisiológica, la prueba de parpadeo combina una luz o un sonido con una rápida bocanada de aire en el ojo. Con la repetición, el animal aprende a cerrar los ojos o parpadear, solo en respuesta a la luz o al sonido. Se llama aprendizaje asociativo y la respuesta está gobernada por una región del cerebro conocida como cerebelo.

Si bien la prueba de parpadeo existe desde 1922, nunca se había intentado en cerdos hasta ahora. En un nuevo estudio en Fronteras en la neurociencia del comportamiento, los investigadores muestran que la prueba de parpadeo funciona en cerdos de 3 semanas de edad, una especie modelo para la investigación de neurociencia nutricional en bebés humanos.

“La idea es que si podemos mejorar el desarrollo estructural en el cerebro a través de intervenciones nutricionales, los cerdos deberían realizar menos pruebas para aprender la regla. Ahora estamos evaluando la parte de nutrientes, pero teníamos que hacer la prueba. Trabajar primero”. Ryan Dilger, profesor del Departamento de Ciencias Animales de la Universidad de Illinois y coautor del estudio.

Dilger se especializa en los efectos de la nutrición en el cerebro en desarrollo, y gran parte de su trabajo impulsa directamente la industria de las fórmulas infantiles. Utilice cerdos recién nacidos porque, a diferencia de los roedores, la anatomía y estructura del cerebro, la fisiología intestinal y los requisitos nutricionales son sorprendentemente similares a los de los bebés humanos.

El equipo de Dilger normalmente estudia la respuesta del cerebro de cerdo a los nuevos ingredientes a través de MRI, MRI, que se enfoca en la estructura y el tamaño de varias regiones del cerebro. También se basan en tareas conductuales bien validadas, como el reconocimiento de nuevos objetos, que reflejan la actividad en el hipocampo y el cuerpo estriado, algunas de las regiones del cerebro relacionadas con el aprendizaje y la memoria.

Pero Dilger quería una herramienta para evaluar específicamente el procesamiento cognitivo en el cerebelo. Fue entonces cuando se dirigió a Henk-Jan Boele y Sebastiaan Koekkoek, especialistas en parpadeo y neurocientíficos del Centro Médico Erasmus de los Países Bajos.

Aunque los seres humanos y todo tipo de animales han sido sometidos a la prueba de parpadeo, el paradigma del comportamiento nunca ha sido validado para los cerdos.

“Usamos sistemas completamente diferentes para el condicionamiento del parpadeo en humanos y ratones”, dice Boele, un investigador postdoctoral con dos nombramientos en Erasmus y en la Universidad de Princeton. “Los seres humanos son fáciles de instruir, suelen ser muy cooperativos y se quedan quietos durante el experimento, lo que facilita la aplicación de la bocanada y la medición del párpado. La mayoría de los ratones tienen la cabeza fija durante el experimento, lo que facilita la aplicación de la bocanada de aire y medir el párpado. Los cerdos, por otro lado, eran un desafío porque no queríamos mirar la cabeza. Era realmente difícil entregar la bocanada de aire de manera confiable y medir las respuestas de los párpados.

“Probamos cámaras de video, diodos y todo tipo de cosas para captar el parpadeo. Y tuvimos que usar un equipo para entregar la ráfaga de aire que estaba muy cerca del ojo para evitar retrasos. Necesitamos una herramienta. bocanadas cortas y nítidas que no son invasivas para el animal, pero que aún están sincronizadas con mucha precisión. Así que fue un desafío “, dice.

La solución fue colocar un pequeño trozo de tubo de aire junto a un ojo y pegar sensores magnéticos en la frente y el párpado para registrar el parpadeo. El sistema midió el parpadeo por milisegundo.

Y sí, Boele disparó en el ojo para probar el sistema. Funcionó. “Oh, sí, parpadeé”, se ríe.

Para asegurarse de que los cerdos tuvieran libertad de movimiento de la cabeza pero que no se levantaran y corrieran, los investigadores los colocaron en una caja absorbente de sonido hecha a medida equipada con una hamaca del tamaño de un cerdo.

Aparentemente fue muy cómodo.

Sangyun Joung, estudiante de doctorado en el Programa de Neurociencia de Illinois y coautor del estudio, dice: “Cada cerdo tuvo cinco días de entrenamiento para acostumbrarse a la hamaca y al entorno de prueba. Para el tercer día, estaban muy relajados, señalar que algunos de ellos literalmente se quedaron dormidos. Esto fue un pequeño desafío para nosotros durante el análisis, porque definitivamente influyó en sus respuestas. Pero también nos dijo que todo este paradigma de comportamiento no es estresante para ellos. nosotros, fue interesante y frustrante al mismo tiempo “.

Una vez que los cerdos se acostumbraron a la configuración, comenzó el verdadero trabajo. Los cerdos realizaron una serie de ocho pruebas seguidas. El primero fue solo el soplo de aire, para medir el reflejo del parpadeo. Las siguientes seis pruebas emparejaron una pequeña luz LED azul con el soplo de aire. La luz se encendió durante medio segundo, 500 milisegundos, y al final, con la luz todavía encendida, se emitió una bocanada de aire. La última parte, con la luz encendida y el aire soplando, solo duró 50 milisegundos. La prueba final fue solo la luz, sin bocanadas.

Los investigadores repitieron cada conjunto de ocho pruebas cinco veces en cada uno de los cinco días consecutivos. El tiempo entre pruebas varió un poco para que los cerdos adivinen.

“No fue solo encendido y apagado, una vez por segundo. El sistema espera a que el ojo esté en una posición estable, luego repite la prueba en momentos aleatorios para que los cerdos no puedan anticipar el resoplido”, dice Dilger.

Pero aprendieron, en el transcurso del experimento de cinco días, a anticipar el bufido. Pronto, los cerdos cerraron los ojos exactamente hasta la marca de 500 milisegundos durante la octava ronda, la que tuvo una ligera pero sin bocanada.

“El momento es perfecto. Si observa las respuestas condicionadas del párpado, puede ver que el párpado está cerrado exactamente cuando se habría administrado la bocanada”, dice Boele. “Simplemente una sincronización perfecta del motor, hasta el milisegundo. Es hermoso”.

El equipo de investigación descubrió algo más sobre los cerdos que no sabían antes.

“Aprendimos que los cerdos pueden hacer la vista gorda a la vez; pueden guiñar un ojo. En realidad, no estábamos seguros”, dice Dilger. “Pero como son cerdos, te frustrarán todo el día. Algunos cerdos se paraban ahí con un ojo cerrado, lo que significaba que no podíamos usar ese argumento en particular. Son criaturas inteligentes”.

La prueba de parpadeo se dirige específicamente a la actividad en el cerebelo, la parte del cerebro responsable de hacer predicciones rápidas e inconscientes. Estas predicciones se refieren a respuestas motoras, como dónde caminar mientras se camina; y procesos cognitivos, como predecir lo que alguien dirá a continuación en una conversación.

“El cerebelo hace predicciones a corto plazo todo el tiempo, todo el tiempo. Es esencial interactuar con nuestro entorno. Cuando pensamos en el aprendizaje y la memoria, a menudo pensamos en cosas cognitivas realmente complejas, pero la mayor parte de nuestro comportamiento diario es simplemente interacciones fluidas, automáticas con nuestro entorno ”, dice Boele. “En el condicionamiento de parpadeo, su cerebelo básicamente resuelve el problema por usted. No tiene que pensar en ello. Está haciendo esta predicción a corto plazo, y eso es lo que estamos estudiando”.

Los cerdos nacen con un cerebelo más desarrollado que los bebés humanos. Esto se desprende de las pruebas de acondicionamiento ocular que realizó Boele con bebés de seis a ocho meses; generalmente no aprenden la tarea a esa edad.

A diferencia de los humanos, los cerdos necesitan poder hacer predicciones motoras y cognitivas de inmediato, ya que pueden levantarse y caminar unos minutos después del nacimiento. Cuando Dilger estudia el cerebelo del cerdo mediante resonancia magnética, que se centra principalmente en la estructura, normalmente no ve muchos cambios debido a las intervenciones nutricionales. Esto se debe a que el cerebelo está más desarrollado al nacer en el cerdo, lo que lo convierte en una especie precoz. Pero los cambios nutricionales podrían alterar el funcionamiento de la región del cerebro. Esto es lo que le dirá la prueba de parpadeo en estudios futuros.

“A menudo, la función sigue la estructura, pero no siempre. Tener una deficiencia nutricional puede mostrar un déficit en el acondicionamiento de los ojos, esta tarea de aprendizaje asociativo”, dice. “Queremos poder utilizar la intervención nutricional como una forma relativamente no invasiva de comprender el desarrollo del cerebelo aquí”.

El Departamento de Ciencias Animales está ubicado en la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales de la Universidad de Illinois.

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