Su despacho está lleno de todo tipo de libros sobre aves, pero Erich Jarvis, neurocientífico de Duke, no se convirtió en experto en el árbol genealógico de las aves por un interés particular en nuestros amigos emplumados. Más bien, fue su fascinación por cómo el cerebro humano comprende y reproduce el habla lo que lo llevó a estudiar las aves.
«Desde hace muchos años sabemos que la conducta de canto de las aves es similar al habla humana —no idéntica, pero sí similar— y que los circuitos cerebrales también son parecidos», dijo Jarvis, profesor asociado de neurobiología en la Facultad de Medicina de la Universidad de Duke e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. «Pero no sabíamos si esas características eran iguales porque los genes también lo eran».
Ahora los científicos sí lo saben, y la respuesta es afirmativa: las aves y los seres humanos usan esencialmente los mismos genes para hablar.
Tras un enorme esfuerzo internacional por secuenciar y comparar los genomas completos de 48 especies de aves que representan todos los órdenes principales del árbol genealógico de las aves, Jarvis y sus colegas descubrieron que el aprendizaje vocal evolucionó dos veces, o quizá tres, entre los pájaros cantores, los loros y los colibríes.
Aún más sorprendente es que el conjunto de genes involucrados en cada una de esas innovaciones del canto es notablemente similar a los genes implicados en la capacidad humana de hablar.
Los hallazgos forman parte de un conjunto de ocho artículos científicos publicados en un número especial de Science del 12 de diciembre y de otros 21 artículos que aparecieron casi simultáneamente en Genome Biology, GigaScience y otras revistas. El nombre de Jarvis aparece en 20 artículos y es autor de correspondencia de 8 de ellos.
Jarvis codirigió el Consorcio Filogenómico Aviar con Guojie Zhang, del Banco Nacional de Genes de BGI en China y de la Universidad de Copenhague, y M. Thomas P. Gilbert, del Museo de Historia Natural de Dinamarca. El laboratorio de Duke de Jarvis contribuyó a preparar muestras, secuenciar y anotar los genomas, realizar los análisis y coordinar el proyecto en su conjunto.
El laboratorio de Jarvis en el edificio de investigación Bryan preparó el ADN de muchas de las especies, extrayéndolo de pequeños trozos de carne de ave rosada congelada, recolectados durante los últimos 30 años por museos y otras instituciones de todo el mundo. Para garantizar que el ADN secuenciado perteneciera realmente al saltarín de collar dorado y no a un asistente de laboratorio universitario, el laboratorio se ha mantenido impecablemente limpio y muchas de sus herramientas se usan una sola vez, a fin de evitar una posible contaminación posterior.
«Nos cambiamos los guantes con frecuencia», dijo Carole Parent, analista de investigación del laboratorio, quien estableció un proceso de aislamiento de ADN para la siguiente etapa del proyecto, que consiste en secuenciar aún más aves, y supervisó la preparación de muestras junto con un equipo de estudiantes universitarios de Duke y un alumno de East Chapel Hill High School.
Todo este trabajo meticuloso y algo tedioso ha permitido a Jarvis y a cientos de colegas de todo el mundo acceder a una cantidad sin precedentes de datos genómicos generados por BGI en China. La comparación de los genomas completos de las 48 especies de aves requirió nuevos algoritmos escritos en la Universidad de Illinois y la Universidad de Texas, cuya ejecución consumió 400 años de tiempo de CPU en tres supercomputadoras de Estados Unidos y Europa.
De los 29 artículos, que abarcan desde la evolución de los pingüinos hasta la visión del color, ocho están dedicados al canto de las aves.
«Esto significa que, en cuanto a estos genes de las áreas cerebrales relacionadas con el canto y el habla, las aves que aprenden vocalmente y los seres humanos se parecen más entre sí que lo que se parecen a ellos otras aves y primates», dijo Jarvis.Uno de los artículos publicados el 12 de diciembre en Science halló un conjunto constante de poco más de 50 genes que muestran una actividad mayor o menor en los cerebros de las aves que aprenden vocalmente y de los seres humanos. Según este equipo de Duke, dirigido por Jarvis, Andreas Pfenning, graduado del programa de doctorado en biología computacional y bioinformática (CBB), y Alexander Hartemink, profesor de informática, ciencias estadísticas y biología, estos cambios no se encontraron en los cerebros de aves que no aprenden vocalmente ni de primates no humanos que no hablan.
Estos genes participan en la formación de nuevas conexiones entre las neuronas de la corteza motora y las neuronas que controlan los músculos que producen sonido.
En un estudio complementario, Rui Wang, otro doctorado en CBB, examinó la actividad especializada de un par de genes involucrados en las regiones cerebrales que controlan el canto y el habla. El estudio, publicado en Journal of Comparative Neurology, encontró que estos genes se regulan a la baja y al alza en una región cerebral de las aves que aprenden canciones durante el período juvenil de aprendizaje vocal; esos cambios perduran hasta la edad adulta. Este estudio y el de Pfenning plantean la hipótesis de que los cambios en estos genes podrían ser fundamentales para la evolución del canto en las aves y del habla en los seres humanos.
«Esos mismos genes se encuentran en los genomas de todas las especies, pero están activos en niveles mucho más altos o más bajos en las regiones cerebrales especializadas para el canto o el habla de las aves que aprenden vocalmente y de los seres humanos», dijo Jarvis. «Esto me sugiere que, cuando evoluciona el aprendizaje vocal, quizá haya formas limitadas en que puedan evolucionar los circuitos cerebrales».
Otro artículo de Duke publicado en Science, dirigido por el investigador posdoctoral Osceola Whitney, Pfenning, Hartemink y Anne West, profesora asociada de neurobiología, estudió la activación genética en distintas áreas cerebrales durante el canto. Este equipo encontró que durante el canto se activa el 10 por ciento del genoma expresado, con diversos patrones de activación en distintas regiones cerebrales relacionadas con el aprendizaje del canto. Las diferencias en los patrones genéticos se explican mejor por diferencias epigenéticas en los genomas de las distintas regiones cerebrales, lo que significa que las células individuales de diferentes regiones cerebrales pueden regular genes en un instante cuando cantan las aves.
Entre los tres grupos principales de aves que aprenden vocalmente, los loros se distinguen claramente por su capacidad para imitar el habla humana. Mukta Chakraborty, investigadora posdoctoral del laboratorio de Jarvis, dirigió un proyecto que utilizó la actividad de algunos de los genes especializados para descubrir que el centro del habla del loro está organizado de manera algo distinta. Tiene lo que los investigadores llaman un «sistema del canto dentro de un sistema del canto», en el que la zona cerebral con actividad genética diferente para producir el canto cuenta con un anillo exterior con aún más diferencias en la expresión génica.
Los loros son animales muy sociales, dijo Chakraborty, y su capacidad para captar rápidamente «dialectos» del habla de los loros puede explicar su centro del habla superpotenciado. Se descubrió que la «cáscara» o las regiones exteriores son proporcionalmente más grandes en las especies de loros, que se cree que tienen las mayores capacidades vocales, cognitivas y sociales. Entre estas especies se encuentran los loros amazónicos, el loro gris africano y la guacamaya azul y dorada.
Jarvis también formó parte de un equipo junto con Claudio Mello y su estudiante de doctorado Morgan Wirthlin, de la Universidad de Ciencias y Salud de Oregón, que encontró otros diez genes exclusivos de las regiones de control del canto de los pájaros cantores. Este artículo aparece en BMC Genomics.
Un artículo de Science dirigido por Zhang, Gilbert y Jarvis encontró que los genomas de las aves que aprenden vocalmente evolucionan con mayor rapidez y presentan más reordenamientos cromosómicos que los de otras especies de aves. Esta comparación genómica también encontró que se produjeron cambios similares de forma independiente en el área cerebral relacionada con el aprendizaje del canto de distintas aves.
Jarvis dijo que conocer más sobre esta historia de la evolución del habla en las aves hace que las aves que aprenden vocalmente sean organismos modelo aún más valiosos para ayudar a responder las preguntas que él y otros investigadores estudian sobre el habla humana.
«Es difícil estudiar el habla en los cerebros humanos», dijo. «Las ballenas y los elefantes aprenden el habla y los cantos, pero son demasiado grandes para alojarlos en el laboratorio. Ahora que entendemos mejor hasta qué punto las regiones cerebrales del canto de las aves se parecen genéticamente a las regiones del habla humana, creo que serán un modelo mejor que nunca».
La exploración general del cerebro de las aves que Jarvis ha llevado a cabo durante sus 16 años en Duke también ha conducido a varios descubrimientos inesperados que no están relacionados con el canto.
En 2005, él y sus colegas encontraron en las aves migratorias un centro cerebral que, al parecer, permite percibir campos magnéticos mediante la «visión nocturna». Ese año también dirigió una revisión de la comprensión de la organización cerebral de las aves y de la evolución del cerebro de los vertebrados. El año pasado, encabezó una nueva cartografía del cerebro de las aves basada en el análisis de 52 genes activos en 23 áreas cerebrales de ocho especies de aves. Este nuevo mapa muestra que los grupos de neuronas en los cerebros de las aves están organizados en columnas, como en los cerebros de los seres humanos y otros mamíferos.
También amplió un poco su campo de estudio y aprendió sobre las estructuras cerebrales que permiten a los ratones «cantar» en rangos ultrasónicos que superan el alcance del oído humano.
Jarvis dijo que esta primera ola de hallazgos del Consorcio Filogenómico Aviar es apenas el comienzo de una nueva y emocionante era de análisis genómico. El grupo internacional ya está secuenciando más aves a nivel del genoma completo.
«Es un momento emocionante», dijo Jarvis, quien también es miembro del Instituto de Ciencias Cerebrales de Duke. «Ahora pueden resolverse muchas preguntas fundamentales con más datos genómicos de una muestra más amplia. Me incorporé a este proyecto por mi interés en las aves como modelo para estudiar el aprendizaje vocal y la producción del habla en los seres humanos, y ha abierto perspectivas asombrosas sobre la evolución del cerebro».
Este artículo se publica en colaboración con Duke Today. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Karl Bates escribe para Duke Today
Imagen: Gorriones se refrescan en un estanque durante un período de clima inusualmente cálido. REUTERS/Ognen Teofilovski