¿Cómo decide un cerebro diminuto a qué velocidad puede aprender? Un nuevo estudio sobre las abejas melíferas revela que la velocidad de aprendizaje depende de un delicado equilibrio entre dos sustancias químicas cerebrales.
Incluso antes de que una abeja reciba una recompensa, la actividad de su cerebro puede predecir qué tan rápido aprenderá. Un equipo de investigación liderado por el Instituto de Investigación Biomédica Fralin de Virginia Tech realizó este descubrimiento.
Por qué las abejas deben aprender rápidamente
Una abeja obrera vive solo unas pocas semanas. Durante ese corto tiempo, debe encontrar flores, recolectar néctar y regresar sana y salva a su colmena. La ubicación de las flores y los niveles de néctar cambian con frecuencia. La supervivencia depende de aprender qué olores conducen a la comida.
“Una abeja no puede nacer sabiendo lo que necesita saber para encontrar flores y recolectar néctar y polen”, afirmó Brian A. Smith de Arizona State University.
Una abeja forrajera viaja por kilómetros de terreno. “Esa es un área enorme para un animal con un cerebro tan pequeño”, añadió Smith.
El aprendizaje debe ser flexible. “Esa abeja tiene que ser una máquina de aprendizaje”, dijo Smith. “Tienes que estar preparado para olvidar lo que aprendiste ayer y aprender algo nuevo hoy. Y si no pueden hacerlo, nunca podrán realizar su tarea dentro de la colonia”.
Sustancias químicas cerebrales detrás del aprendizaje
Los investigadores se centraron en cuatro neurotransmisores: dopamina, serotonina, octopamina y tiramina.
La octopamina y la tiramina desempeñan un papel central en el comportamiento de los insectos. La tiramina se convierte en octopamina dentro de las células nerviosas, y ambas a menudo funcionan de maneras opuestas.
Investigaciones anteriores demostraron que la octopamina puede actuar como una señal de recompensa durante el aprendizaje. La tiramina a menudo produce efectos opuestos en ciertos comportamientos.
En otros insectos, el equilibrio entre ambas sustancias químicas influye en la alimentación, el movimiento e incluso en las respuestas de atracción o evitación.
En las abejas, los científicos descubrieron que la diferencia entre los niveles de octopamina y tiramina actúa como una firma química. Una diferencia temprana pronunciada predijo un aprendizaje más rápido. Una diferencia más débil o retrasada predijo un aprendizaje más lento.
Medición de señales diminutas
Para estudiar cambios tan pequeños, los investigadores colocaron electrodos de fibra de carbono muy delgados dentro del cerebro de una abeja. Los electrodos se dirigieron a un área de procesamiento del olfato llamada el bulbo antenal.
Utilizando modelos de aprendizaje automático, el equipo midió los cambios químicos muchas veces por segundo.
“Ni siquiera teníamos un método para medir las monoaminas en los cerebros de las abejas”, dijo Pendleton R. Montague, coautor del estudio.
“Ahora hemos tomado este trabajo en humanos y lo hemos trasladado a electrodos diminutos que podemos colocar en el cerebro de una abeja mientras aprende y se condiciona”.
Se entrenaron modelos de aprendizaje profundo con mezclas químicas conocidas. Después del entrenamiento, el sistema pudo estimar los niveles de dopamina, serotonina, octopamina y tiramina en tiempo real durante el aprendizaje.
Prueba de cómo aprenden las abejas
En pruebas de laboratorio, una abeja olió un olor llamado hexanol. Aproximadamente un segundo después, el agua azucarada tocó su antena.
Después de varios emparejamientos, la abeja aprendió a extender su tubo de alimentación cuando apareció el olor solo. Los científicos llaman a esa acción la respuesta de extensión de la probóscide.
Algunas abejas aprendieron después de solo tres emparejamientos de olor y azúcar. Otras necesitaron hasta ocho. Algunas nunca mostraron aprendizaje durante doce ensayos.
Antes de que se introdujera el azúcar, los investigadores expusieron a las abejas al olor solo. En esa etapa temprana, el patrón químico ya predijo la velocidad de aprendizaje futura.
Las abejas con una señal de octopamina menos tiramina más fuerte y temprana aprendieron más rápido más tarde.
La dopamina y la serotonina no mostraron el mismo patrón predictivo. Durante el entrenamiento repetido, los niveles de dopamina y serotonina disminuyeron gradualmente tanto en los aprendices como en los no aprendices.
En contraste, la octopamina y la tiramina cambiaron de una manera más compleja.
Señales que dan forma al estilo de aprendizaje
Los científicos describen la octopamina y la tiramina como un par oponente. Uno aumenta mientras que el otro disminuye, creando una señal de diferencia. La sincronización y la fuerza de esa diferencia reflejaron la rapidez con la que una abeja formaría una asociación.
Después de que una abeja aprendió con éxito la relación entre el olor y la recompensa, el patrón químico cambió de dirección, lo que puede ayudar a limitar el aprendizaje adicional una vez que se domina la tarea. Ese mecanismo podría prevenir el sobreaprendizaje y ayudar a las abejas a ajustar su atención.
El análisis matemático mostró un patrón oculto principal en los datos químicos fuertemente vinculado a la velocidad de aprendizaje. Ese patrón reflejó principalmente la actividad de la octopamina y la tiramina.
Por qué las diferencias pueden ayudar a una colonia
No todas las abejas que aprenden a la misma velocidad pueden beneficiar a una colmena. Las que aprenden rápido pueden explotar rápidamente las fuentes de flores conocidas.
Las que aprenden más lento pueden responder mejor a los cambios a largo plazo en el medio ambiente. Las diferencias genéticas entre las obreras pueden influir en el estilo de aprendizaje y los roles de forrajeo.
“Las abejas tienen sistemas sofisticados para perseguir esto”, dijo Montague. “Pueden usar los sistemas para tomar decisiones cautelosas o arriesgadas”.
Lo que esto significa para los humanos
La octopamina y la tiramina pertenecen a sistemas químicos antiguos que evolucionaron hace más de 130 millones de años. Sistemas similares aún influyen en la atención y el aprendizaje humanos.
“Estos son sistemas evolutivamente muy, muy antiguos que todavía tenemos en nuestros cerebros”, señaló Montague. “Puedes condicionar a la abeja con estímulos en el mundo que son relevantes para una persona”.
“En términos de biomedicina, comprender las redes neuronales nos brinda información sobre cómo funcionan los cerebros más grandes”, dijo Smith.
Al estudiar un cerebro más pequeño que un grano de arroz, los científicos obtuvieron nuevos conocimientos sobre cómo comienza el aprendizaje.
Un simple equilibrio químico dentro de una abeja puede determinar si la nueva información se queda rápidamente o lentamente. Ese pequeño equilibrio puede contener pistas sobre el aprendizaje en muchas especies, incluidos los humanos.
El estudio se publicó en la revista Science Advances.
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