Para Nicholas Strausfeld, un cerebro diminuto es algo hermoso. A lo largo de sus 35 años de carrera, este neurobiólogo de la Universidad de Arizona en Tucson ha sondeado las diminutas estructuras cerebrales de cucarachas, bichos de agua, gusanos de terciopelo, camarones de salmuera y docenas de otros invertebrados. Utilizando microscopios, pinzas y aparatos electrónicos construidos a mano, él y sus estudiantes de posgrado desmenuzan -con mucha delicadeza- el funcionamiento célula por célula de estructuras cerebrales del tamaño de varios granos de sal. A partir de este tedioso análisis, Strausfeld llega a la conclusión de que los insectos poseen «los cerebros más sofisticados de este planeta».
Strausfeld y sus estudiantes no están solos en su devoción. Bruno van Swinderen, investigador del Instituto de Neurociencias (NSI) de San Diego, encuentra indicios de funciones cognitivas superiores en los insectos, pistas de lo que una revista científica denominó «las raíces remotas de la conciencia».
«Mucha gente despreciaría la idea de que los insectos tengan cerebros comparables de algún modo a los de los primates», añade Strausfeld. «Pero hay que pensar en los principios que subyacen a la construcción de un cerebro, y es probable que esos principios sean universales». «Las pruebas que he visto hasta ahora no me han convencido», dice Gilles Laurent, neurocientífico de Caltech. Pero algunos investigadores barajan posibilidades que escandalizarían a la mayoría de los observadores profanos. «No tenemos ni idea, literalmente, de a qué nivel de complejidad cerebral se detiene la conciencia», dice Christof Koch, otro neurocientífico de Caltech. «La mayoría de la gente dice: ‘Por el amor de Dios, un bicho no es consciente’. Pero, ¿cómo lo sabemos? Ya no estamos seguros. Yo ya no mato bichos sin necesidad».
Heinrich Reichert, de la Universidad de Basilea (Suiza), se ha interesado cada vez más por «el parentesco de todos los cerebros». Los propios estudios de Reichert sobre el origen del cerebro conducen a un ancestro poco conocido, una humilde criatura llamada Urbilateria, que se retorcía y nadaba hace casi mil millones de años. El abuelo de todos los animales con simetría bilateral, Urbilateria es el antepasado de las arañas, los caracoles, los insectos, los anfibios, los peces, los gusanos, las aves, los reptiles, los mamíferos, los cangrejos, las almejas y, por supuesto, los humanos.
Hay, por supuesto, buenas razones para considerar que los cerebros de los insectos son primitivos, al menos cuantitativamente. Los humanos poseen 100.000.000.000 de células cerebrales. Una cucaracha tiene casi 1.000.000 de células cerebrales; una mosca de la fruta, sólo 250.000. Aun así, los insectos realizan una impresionante gestión de la información: Agrupan las neuronas en sus cerebros 10 veces más densamente que los mamíferos. También utilizan cada célula cerebral con más flexibilidad que los mamíferos. Varios ramales de una sola neurona pueden actuar de forma independiente, lo que aumenta la capacidad de cálculo sin aumentar el número de células. De algún modo, estos circuitos permiten a una abeja melífera, con apenas un millón de neuronas, alejarse seis millas de su colmena, encontrar comida y volver directamente a casa. Pocos humanos podrían hacer lo mismo incluso con un mapa y una brújula.
En la superficie, los cerebros de los insectos y los mamíferos no se parecen en nada. Sólo a partir de los estudios de las conexiones célula por célula surge la asombrosa similitud. Una tarde, Christopher Theall, uno de los estudiantes de doctorado de Strausfeld, me muestra su propio montaje experimental para acceder a una parte del cerebro de las cucarachas conocida como cuerpo de seta. Se cree que esta estructura cerebral con forma de seta es análoga al hipocampo de los mamíferos, un componente cerebral que participa en la formación de recuerdos de lugares.
«Lo que tratamos de hacer», dice Theall, mientras entramos en un estrecho laboratorio, «es reducir las técnicas que se han utilizado en los cerebros de ratas y primates; reducirlas a un cerebro de una milésima parte del tamaño».
El aparato experimental de Theall descansa sobre una mesa que flota en aire presurizado que absorbe las vibraciones. Incluso el traqueteo de un carro en el pasillo exterior podría socavar el experimento. Dado que Theall necesita registrar impulsos nerviosos de tan sólo un ^1/10,0000 de voltio, la mesa está encerrada en una jaula que bloquea las interferencias electromagnéticas de las luces de la sala. Trabajando bajo un microscopio, con pinzas, manos firmes y la respiración contenida, Theall moldea un cable de cobre de sólo el doble del diámetro de un glóbulo rojo en electrodos que insertará en el cerebro de la cucaracha.
«Son frágiles», dice. «Incluso la brisa de la apertura de una puerta puede arruinar un par de horas de trabajo».
Tras 20 horas de preparación, Theall está listo para hacer el experimento. Girando una perilla mientras mira al microscopio, hunde el electrodo en el cerebro de la cucaracha hasta que se apoya en uno de los cuerpos de los hongos. Durante el experimento, Theall entrenará a esta cucaracha para que se gane una recompensa: Si el insecto apunta con su antena hacia ciertos puntos de referencia, recibirá emocionantes bocanadas de olor a mantequilla de cacahuete. Theall quiere escuchar las neuronas para determinar cómo contribuyen al aprendizaje de la ubicación de esos puntos de referencia.
El último paso del experimento -la disección del cuerpo del hongo- permite a Theall ver las dos o tres células que ha monitorizado. Como las células han absorbido el cobre liberado por el electrodo, puede distinguirlas de las otras 200.000 células cerebrales del cuerpo de la seta. A continuación, Theall traza la estructura de cada célula utilizando bolígrafo, papel y una caja de luz. Es como dibujar un roble nudoso hasta la última ramita, y reconstruir una sola célula puede llevar dos días. Theall, un estudiante típico del laboratorio de Strausfeld, realizará cientos de experimentos como éste antes de terminar su doctorado.
Theall y Strausfeld nunca saben con cuál de las decenas de miles de células van a dar cuando intervienen en el cuerpo de una cucaracha. Sin embargo, al repetir el experimento una y otra vez, están reuniendo una imagen de qué tipos de células existen, cómo funcionan esas células durante las tareas de memoria de lugar y qué tipos de conexiones forman con otras células. Célula por célula, esperan reconstruir los circuitos de la estructura.
Durante una charla en su despacho, Strausfeld esboza un cuerpo de hongo, señalando varios paralelismos con el hipocampo, el centro cerebral dedicado a la memoria y la localización de lugares en los mamíferos. La base está formada por miles de fibras nerviosas paralelas que discurren como la veta de un trozo de madera. Más arriba de la base, las fibras envían conexiones en bucles que parecen asas de jarra en una autopista; esta es la forma que ha hecho que esta parte del cerebro reciba el nombre de «cuerpo de hongo». Las conexiones se reúnen con las fibras más arriba, cerca de la cima. Strausfeld sospecha que estas vías en bucle reúnen piezas de información relacionadas, como las vistas y los olores de varios puntos de referencia que una cucaracha encuentra, uno tras otro, mientras viaja hacia y desde su casa.
«La geometría de la estructura», dice, «recuerda extrañamente al hipocampo». Strausfeld y otros están buscando pistas para saber si las similitudes se deben a un parentesco profundo y antiguo o simplemente a soluciones análogas que evolucionaron de forma independiente para ayudar a la supervivencia.
En su laboratorio subterráneo del Instituto de Neurociencias, van Swinderen está observando una mosca suspendida en lo que equivale a un cine IMAX en miniatura. El montaje está diseñado para controlar el foco de atención en el cerebro de la mosca. Una pantalla LED rodea a la mosca y muestra una secuencia de objetos parpadeantes delante de sus ojos, dos objetos a la vez. En este momento, son una X y un cuadrado. La X parpadea 12 veces por segundo y el cuadrado 15 veces por segundo.
Van Swinderen ha insertado un electrodo en el cerebro de la mosca para controlar su actividad neuronal. Las ondas cerebrales irregulares que se filtran a través del electrodo se desplazan por la pantalla del ordenador. En el fondo de la maraña de picos irregulares hay dos pequeñas señales: una onda que sube y baja 12 veces por segundo y otra que sube y baja 15 veces por segundo. Esas dos ondas proceden de miles de células cerebrales que responden a los dos objetos parpadeantes. Cuanto mayor sea el número de células que se disparan al unísono ante un determinado objeto, mayor será la onda correspondiente. Observando qué onda es más alta, van Swinderen puede decir a qué objetivo la mosca está dirigiendo más atención.
Van Swinderen prefiere llamarlo «saliencia» en lugar de «atención», porque no quiere dar a entender que las moscas son conscientes. Pero sea cual sea el nombre de ese foco perceptivo, encontrarlo en una mosca tiene enormes implicaciones para entender las raíces de la conciencia en los humanos. Cada segundo nos inunda la información sensorial de nuestros ojos, oídos, nariz y cada centímetro de nuestra piel. El foco de atención itinerante -el ojo de nuestra mente- determina qué pequeña fracción de esta afluencia admitimos realmente en nuestra conciencia y, sólo posiblemente, la archivamos como memoria.
Van Swinderen suele registrar simultáneamente las ondas cerebrales de tres lugares de una gran región cerebral de los insectos llamada protocerebro medial. A primera vista, las ondas mezcladas de esas zonas pueden parecer tan variadas como los sonidos de Mozart, los Sex Pistols y el canto de garganta de los tuvanos. Pero mientras la mosca esté atenta y preste atención a algo, existe dentro de ese revoltijo un coro de neuronas que emiten el mismo patrón de ondas en concierto en las tres áreas. Ese patrón de ondas representa lo que la mosca está atendiendo, y cuando su atención cambia de una cosa a otra, el patrón de ondas también cambia. Van Swinderen puede detectar el coro porque ha diseñado cuidadosamente su experimento con su pequeño teatro IMAX para determinar a qué atenderá la mosca. Es una hermosa ilustración de la atención: todas las neuronas cantan la misma canción, la canción del cuadrado.
«La atención», dice Van Swinderen, «es un fenómeno de todo el cerebro. Una cosa no es puramente visual, ni puramente olfativa. Es una unión de diferentes partes que para nosotros significan una cosa. ¿Por qué no podría el mecanismo de la mosca dirigirse a una sucesión de sus recuerdos?», se pregunta. «Eso, para mí, está a un paso de lo que podría ser la conciencia». La diferencia entre los recuerdos de una mosca y un humano podría ser una cuestión de grado. El humano puede almacenar muchos más recuerdos y, por tanto, puede mantener una narración personal más sofisticada de su pasado y su presente. Pero van Swinderen cree que «podría ser exactamente el mismo mecanismo en una mosca y en un humano». Aunque todavía no hay pruebas para decidir en uno u otro sentido, el resultado podría ser la conciencia.
«Probablemente lo que la conciencia requiere», dice Koch, de Caltech, «es un sistema suficientemente complicado con una retroalimentación masiva. Los insectos lo tienen. Si nos fijamos en los cuerpos de los hongos, son masivamente paralelos y tienen retroalimentación».
Las pistas químicas confirman que al menos algunos procesos cerebrales fundamentales son los mismos en los seres humanos y en los insectos. Van Swinderen y Rozi Andretic, neurocientífica del NSI, han descubierto que las moscas mutantes que producen muy poca cantidad del neurotransmisor dopamina tienen respuestas de saliencia deterioradas. Alimentar a las moscas mutantes con metanfetamina -una sustancia química relacionada con los fármacos utilizados para tratar el trastorno por déficit de atención/hiperactividad- alivia la escasez de dopamina y normaliza la atención de las moscas. Pero si se da metanfetamina a una mosca normal, ésta no puede atender tan bien. «Hay mecanismos similares en los vertebrados y en las moscas», me dijo Andretic. «Necesitan concentraciones óptimas de dopamina, y si tienen muy poca o demasiada, se verán perjudicadas». Tanto en los seres humanos como en las moscas, las células que liberan dopamina pueden ayudar a coordinar regiones cerebrales distantes implicadas en el fenómeno de la atención.
Cuando se considera que las propias neuronas son sorprendentemente similares en todo el reino animal, todo empieza a tener sentido. «Los vertebrados y los invertebrados tienen los mismos componentes básicos», dice Strausfeld, «y hay ciertas formas de unir estos componentes». Así que cuando se trató de construir un centro cerebral como el hipocampo que puede reconocer lugares, podría haber habido sólo una manera de conectar esas neuronas extravagantes para hacer el trabajo – y la evolución llegó a esa misma solución varias veces de forma independiente, al igual que las instrucciones genéticas para las alas evolucionaron varias veces en linajes distintos.
La posibilidad más sorprendente es que el cerebro podría haber evolucionado sólo una vez en la historia de la vida. Primos lejanos -cucarachas y humanos- podrían haber heredado el modelo básico de un ancestro común, Urbilateria, el último antepasado común de todos los animales con simetría bilateral. No se conocen fósiles de esta criatura, pero estimando el tiempo que tardaron las secuencias de ADN en divergir entre las moscas y los ratones, los genetistas calculan que Urbilateria vivió hace entre 600 millones y 1.000 millones de años.
Por analogía con los invertebrados marinos actuales, algunos científicos creen que Urbilateria excavó en el fondo del mar como adulto y nadó como larva, con ojos simples como los de muchas larvas marinas vivas.
Las pistas sobre el plan cerebral de Urbilateria provienen del estudio del desarrollo embrionario de criaturas vivas en la actualidad. Tanto en embriones de ratón como de mosca de la fruta, Detlev Arendt, biólogo evolutivo del Laboratorio Europeo de Biología Molecular de Heidelberg (Alemania), ha descubierto que las células implicadas en la formación del cerebro y la médula nerviosa se dividen en tres columnas de células. Al menos algunos de los genes que rigen la formación de las columnas son los mismos en moscas y ratones. «Este patrón es tan específico», dice Arendt, «que está claro que el último ancestro común debió tener estas tres columnas».
Heinrich Reichert, de la Universidad de Basilea, ha descubierto otra sorprendente similitud. Durante el crecimiento embrionario, un gen similar al de las moscas y los ratones (y, por tanto, al de los humanos) provoca la división del cerebro en segmentos delantero, medio y trasero. Los ratones que carecen del gen desarrollan graves anomalías cerebrales. Pero el intercambio de la versión del gen de la mosca en estos ratones mutantes corrige la mayoría de esas anomalías. «Revela», dice Reichert, «un profundo parentesco en los cerebros de las moscas y los peces y los ratones y los hombres que ciertamente no se esperaba con sólo mirar la anatomía superficial».
Por supuesto, estos genes actúan temprano, mientras el embrión es primitivo. Así que Urbilateria pudo poseerlos y seguir sin tener casi cerebro. La respuesta definitiva vendrá de la identificación y comparación de otras docenas de genes de insectos y mamíferos. Son especialmente interesantes los que intervienen en la formación de estructuras complejas que desempeñan funciones similares, como los cuerpos de las setas y el hipocampo.
«La pregunta del millón», dice Strausfeld, «sería si los genes que intervienen en el desarrollo de estas estructuras son compartidos por el ratón y la mosca. Eso sería, por supuesto, emocionante».