En el ámbito del aprendizaje y la adaptación del comportamiento, el concepto de memoria asociativa ha ocupado un lugar destacado. Este mecanismo cognitivo, atribuido principalmente a organismos complejos dotados de sistemas nerviosos evolucionados, facilita sus respuestas hábiles a los estímulos del entorno. Desde cefalópodos hasta humanos, esta forma de aprendizaje ha sido fundamental para la supervivencia (De la Fuente et al., 2019). Sin embargo, en el mundo de la ciencia biológica, ha surgido una pregunta crucial: ¿pueden las células, los bloques fundamentales de la vida, participar en el complejo proceso del condicionamiento?
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Históricamente, el consenso ha sido que las células eran capaces de un aprendizaje no asociativo, pero los procesos del aprendizaje asociativo, ejemplificados por el condicionamiento pavloviano, parecían estar más allá de su alcance. Los experimentos que desafiaban esta perspectiva fueron recibidos con escepticismo, y a menudo descartados como no reproducibles o sujetos a interpretaciones alternativas. Sin embargo, los avances recientes en el campo nos invitan ahora a reconsiderar este antiguo consenso (Carrasco, 2021; Gershman et al., 2021). Es decir, ¿son realmente capaces las células individuales de aprender?, y en tal caso, ¿qué importancia tendría dicha habilidad de adaptación del mundo celular a entornos externos en constante cambio?
¿Los organismos unicelulares pueden aprender?
El condicionamiento asociativo es una característica omnipresente en organismos complejos que poseen sistemas nerviosos evolucionados; abarcando desde las principales taxonomías de vertebrados hasta varias especies invertebradas. Este complejo proceso también puede reproducirse y analizarse en redes neuronales artificiales y diversos modelos computacionales. El aprendizaje condicionado otorga a los organismos la habilidad de adaptarse a entornos cambiantes, lo que se considera esencial para la supervivencia. No obstante, a pesar de su importancia, el condicionamiento asociativo no se había observado en células individuales (De la Fuente et al., 2019).
El aprendizaje, en su sentido más amplio, hace referencia a cualquier modificación persistente y adaptativa del comportamiento de un organismo en función de sus experiencias. La posibilidad de que exista un mecanismo a nivel celular capaz de almacenar información adquirida con consecuencias conductuales retardadas es emocionante desde una perspectiva evolutiva. Esto sugiere que los mecanismos de almacenamiento de memoria en organismos multicelulares complejos pueden haber sido heredados de organismos mucho más simples, quizás incluso protozoos, que comparten el mismo conjunto de componentes moleculares intracelulares. A diferencia de la plasticidad sináptica, que no está presente en protozoos, la idea de que la evolución haya encontrado una forma de implementar el aprendizaje en estos organismos plantea la posibilidad de que dicho mecanismo se haya conservado a lo largo de las diversas filas taxonómicas debido a sus ventajas computacionales y energéticas (Gershman et al., 2021).
Por su parte, la biología celular considera que las células son, en cierto modo, como computadoras en miniatura capaces de llevar a cabo un procesamiento de información sofisticado. Entre las numerosas capacidades de las células, se ha llegado a apreciar que poseen memoria, posiblemente en forma de un ‘código de histonas’, aunque aún no hemos alcanzado una comprensión precisa de este código desde una perspectiva computacional (Gershman et al., 2021).
Conducta de los organismos unicelulares
Los organismos unicelulares muestran comportamientos sorprendentemente complejos. La conducta de la ameba, por ejemplo, ha llevado a investigadores a la impresión de que estos microorganismos pueden ‘cazar’ o ‘huir del peligro’. Además, el comportamiento de algunos ciliados se ha descrito mediante un modelo de redes neuronales artificiales, que incluye neuronas de entrada. Estas neuronas recibirían la información necesaria para el entrenamiento y la transmitirían a una capa oculta que realiza cálculos antes de enviarla a las neuronas de la capa siguiente. Curiosamente, el modelo más preciso para predecir el comportamiento de los ciliados se logra con tres capas de neuronas, a pesar de que los ciliados no poseen neuronas en absoluto. En su lugar, es posible que estructuras moleculares dentro de la célula desempeñen un papel equivalente en complejidad al de las neuronas (Bukalov, 2021).
Dado lo anterior, es evidente que el paradigma de la toma de decisiones basado en estructuras neuronales no es aplicable a los organismos unicelulares. A pesar de esta complejidad, algunos intentos se han realizado para explicar la conducta de los organismos unicelulares al comparar su estructura con la de una sola neurona, lo que crea un enigma paradójico.
Lo que resulta aún más interesante es que los organismos unicelulares con comportamientos complejos, como se ha documentado en investigaciones recientes, existieron en la Tierra mucho antes de que aparecieran los organismos multicelulares. Esta observación plantea una pregunta fundamental: ¿pueden los organismos unicelulares aprender, a pesar de carecer de sistemas nerviosos, como una solución evolutiva a los desafíos comunes de procesamiento de información que enfrentan todos los seres vivos? La respuesta a esta cuestión tiene el potencial de transformar en gran medida nuestra comprensión del aprendizaje en los organismos multicelulares y podría abrir nuevas perspectivas en la investigación biológica (Gershman et al., 2021).
Estudio de respuestas condicionadas en células
De acuerdo a diversos estudios, los organismos unicelulares, a pesar de sus diferencias morfológicas y características fisiológicas, muestran similitudes en las respuestas condicionadas, lo que sugiere la presencia de procesos de condicionamiento y aprendizaje en una amplia variedad de este tipo de organismos. Estas similitudes en las respuestas condicionadas se han observado en diferentes reinos, incluyendo bacterias, protozoos, organismos similares a hongos y metazoos (Carrasco et al., 2021).
Un ejemplo notable se encuentra en las bacterias. Así, la E. coli muestra patrones casi idénticos de expresión génica en respuesta tanto a una disminución en los niveles de concentración de oxígeno como a un aumento en la temperatura ambiental. Esta conducta se piensa que es una consecuencia de la asociación de temperaturas más altas con un ambiente anaeróbico, similar al que se encuentra en el tracto intestinal de mamíferos. Además, colectivos de bacterias han demostrado la capacidad de codificar patrones de memoria robustos y persistentes.
Otro ejemplo notable proviene de pseudomonas aeruginosa, donde las células utilizan una memoria multigeneracional. En el caso de Paramecium caudatum, un protista, se ha observado que puede desarrollar una preferencia por el nivel de iluminación mediante el refuerzo a través de una leve descarga eléctrica. Por su parte, organismos similares a hongos, como physarum polycephalum, han demostrado adquirir nuevos comportamientos termotácticos cuando se exponen a un gradiente de temperatura y una fuente de nutrientes.
Así mismo, la memoria celular se ha observado en dictyostelium durante la quimiotaxis en ondas de desplazamiento. Incluso las células humanas, como las células β pancreáticas, han demostrado comportamientos de condicionamiento asociativo. Estudios electofisiológicos con células de Purkinje individuales han revelado que estos organismos pueden recordar el intervalo entre el inicio de un estímulo condicionado artificial y el inicio de un estímulo incondicionado artificial (Carrasco et al., 2021).
Estudio del condicionamiento asociativo de células en amibas
Un gran avance en la investigación de los procesos de aprendizaje se ha producido a través de una serie de estudios recientes que demuestran la existencia de un comportamiento condicionado en organismos unicelulares.
En un primer momento, las investigaciones se centraron en el microorganismo Amoeba proteus y su capacidad para desarrollar un patrón de movilidad consistente con un comportamiento condicionado de tipo pavloviano. Para ello, se utilizó un campo eléctrico de corriente continua controlado como estímulo condicionado, y un péptido quimiotáctico específico como estímulo incondicionado. El estudio demostró que estas células pudieron asociar la presencia del péptido en el ánodo con la comida, y después del proceso de inducción, la mayoría de las células desarrollaron un patrón de motilidad condicionado caracterizado por un movimiento persistente hacia el ánodo, incluso en ausencia del péptido. Este patrón de motilidad condicionado perduró durante períodos que oscilaron entre 20 y 95 minutos. El estudio también reveló que un pequeño subconjunto de las amebas no fue condicionado, posiblemente debido a peculiaridades fisiológicas intrínsecas y posibles daños celulares causados por el proceso experimental (De la Fuente, et.al 2019).
Este mismo patrón de comportamiento se confirmó en una especie relacionada, Metamoeba leningradensis; y en un estudio posterior, en la Amoeba borokensis. Dichos hallazgos indicaron que los organismos unicelulares pueden modificar su comportamiento durante la migración a través del condicionamiento asociativo (Carrasco et al., 2021).
Así, los resultados de este estudio mostraron que el condicionamiento celular es una propiedad sólida y estable, y que las respuestas sistémicas adquiridas eran muy similares en las tres especies analizadas. Por lo tanto, el condicionamiento asociativo celular puede ser una característica común de las células y podría tener un impacto significativo en nuestra comprensión de los procesos de aprendizaje y memoria en el mundo biológico.
El condicionamiento asociativo en células
La comparación de las investigaciones mencionadas anteriormente con otros estudios que analizan respuestas celulares complejas en microorganismos, como bacterias y protozoos, sugiere que el ‘condicionamiento celular asociativo’ podría ser una característica ampliamente distribuida entre los organismos unicelulares. Este nuevo comportamiento sistémico podría ser esencial para comprender algunos de los principios clave involucrados en el aumento de la aptitud adaptativa celular a microentornos cambiantes. En este sentido, aunque aún es demasiado temprano para trazar los mecanismos moleculares precisos que respaldan este proceso, hay evidencias de una memoria funcional que puede estar arraigada en múltiples marcas moleculares estables durante procesos epigenéticos (Carrasco, et.al 2021).
Aunado a esto, es importante considerar que, a lo largo de la evolución, los organismos que adaptan con éxito su comportamiento al entorno aumentan sus posibilidades de sobrevivir y reproducirse en comparación con aquellos que no pueden hacerlo. Por lo tanto, esta capacidad celular de aprender y adquirir nuevos patrones sistémicos de respuesta a cambios en el entorno externo, podría representar un proceso fundamental para la adaptación celular como un mecanismo evolutivo a través del cual los organismos unicelulares aumentarían su aptitud en sus respectivos hábitats (De la Fuente, et.al 2019; Carrasco, et.al 2021).
Además, esta forma de aprendizaje celular elemental también podría tener implicaciones esenciales en el origen de formas primitivas de cognición. De esta manera, el condicionamiento celular asociativo sería un buen ejemplo de cómo la evolución puede encontrar soluciones elegantes para una adaptación adecuada a los microentornos (Carrasco et al., 2021).
Importancia de entender el condicionamiento de células
El descubrimiento del condicionamiento asociativo celular revela un fenómeno previamente desconocido, pero de gran trascendencia y relevancia biológica. Esto es, que las células están constantemente recibiendo señales, en su mayoría de naturaleza bioquímica y bioeléctrica; y estos experimentos demuestran que los organismos unicelulares tienen la capacidad de asociar estas señales para generar nuevos patrones de comportamiento migratorio. Mismos, que pueden recordar durante períodos relativamente prolongados. La confirmación de esta propiedad celular permitiría comprender procesos que anteriormente no tenían explicación dentro del marco conceptual actual, y abre nuevas perspectivas de investigación científica (CEBAS-CSIC, 2019).
Por otro lado, en el ámbito clínico, los errores en el control de los procesos de migración celular pueden tener consecuencias graves, como retraso mental, enfermedades cardiovasculares y cáncer. Por ejemplo, el proceso metastático, en el cual las células cancerígenas se desplazan desde un tumor primario para formar tumores secundarios en otros órganos, es la principal causa de muerte en pacientes con cáncer. Comprender los procesos que regulan esta migración celular podría tener un impacto significativo en la reducción de la mortalidad asociada con esta enfermedad (CEBAS-CSIC, 2019).
De esta manera, es posible afirmar que el estudio del condicionamiento en las células tiene el potencial de redefinir nuestra comprensión de los procesos celulares y su capacidad de adaptación al entorno. Esto no solo tiene implicaciones fundamentales en la biología, sino que también ofrece perspectivas emocionantes en campos como la medicina y la lucha contra enfermedades graves.
Referencias:
- Bukalov, A. (2021). Modeling the behavior of unicellular organisms and the hypothesis of the elementary cellular quantum of consciousness. Proc. of XIV Internat. Conf. on Applied Biophysics, Bionics and Biocybernetics 2021. researchgate.net
- Carrasco, J., Bringas, C., Malaina, I., Fedetz, M., Martínez, L., Pérez, G., Boyano, M., Berdieva, M., Goodkov, A., López, J., Knafo, S., De la Fuente, I. (2021). Associative Conditioning Is a Robust Systemic Behavior in Unicellular Organisms: An Interspecies Comparison. Frontiers in Microbiology, volumen (12). frontiersin.org
- CEBAS-CSIC (2019). Experimentos de tipo Pavlov desarrollados en organismos unicelulares permiten descubrir el condicionamiento asociativo celular. Cienciacebas’s Blog. cienciacebas.com
- De la Fuente, I., Bringas, C. Malaina, I., Fedetz, M., Carrasco, J., Morales, M., Knafo, S., Martínez, L., Pérez, A., López, J., Pérez, G., Boyano, M. (2019). Evidence of conditioned behavior in amoebae. Nature Communications, volumen (10), número (3690). nature.com
- Gershman, S., Balbi, P., Gallistel, R., Gunawardena, J. (2021). Reconsidering the evidence for learning in single cells. eLife, volumen (10). elifesciences.org
Créditos de imágen de portada: Foto de Monstera Production
