Hoy quiero presentaros uno de mis artículos publicado la semana pasada en la revista Scientific Reports sobre el uso del análisis de redes para estudiar la evolución del sistema musculoesquelético en primates.

Las extremidades de los animales vertebrados (alas, brazos y piernas, patas y aletas) han fascinado desde siempre a naturalistas y biólogos interesados en entender tanto su organización y funcionamiento como su evolución y adaptaciones.

Los brazos de los primates (lemures, monos, y grandes simios incluidos los humanos) varían mucho en sus proporciones y funciones entre especies, aunque todas comparten una organización anatómica de sus huesos y músculos muy similar.

 

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Una de las propiedades que permite evolucionar esta disparidad de formas y adaptaciones es la organización modular del cuerpo. Ser modular es estar compuesto de partes o regiones (los módulos) que pueden funcionar y cambiar de forma más o menos independiente las unas de las otras, sin que ello comprometa el correcto funcionamiento del cuerpo. Esto permite que una parte del cuerpo pueda cambiar en respuesta a una presión de selección, si que por ello las otras partes con las que debe crecer y funcionar coordinadamente se vean perjudicadas por el cambio.

Normalmente, la modularidad en la forma se estudia con un conjunto de técnicas estadísticas conocidas en su conjunto como morfometría (ya vimos un poco su uso en otro artículo). La morfometría se usa para estudiar los cambios de proporciones, es decir tamaño y forma (‘shape‘ en inglés), en grupos de individuos, poblaciones o especies.

Lo que nosotros hemos hecho en este trabajo es utilizar una técnica distinta, el análisis de redes anatómicas, para comparar cómo ha cambiado en los primates la organización entre los huesos y los músculos; es decir, el número de huesos y músculos, y cómo estos están conectados los unos con los otros (como en la figura inferior).

Anatomía de los huesos del brazo en humanos y su modelo de red. Un modelo de red anatómico representa cada elemento (aquí los huesos) como nodos de una red y cada uno de sus contactos (aquí las articulaciones entre los huesos) como las conexiones entre nodos. Los colores indican los módulos encontrados en nuestro estudio para los huesos del brazo: un gran módulo (naranja) para el hombro, brazo y antebrazo; un módulo para los huesos de la muñeca y la mano (rojo); y cinco módulos más pequeños para cada uno de los dedos (verde, azules y morados).

De cómo están conectados los elementos que forman las partes del cuerpo depende, en parte, su organización en módulos. Y en consecuencia, cómo estos funcionan y evolucionan. Al añadir los músculos en nuestro estudio, hemos encontrado que las 20 especies estudiadas (17 primates + otros 3 mamíferos para comprar) presentan de forma constante un módulo para los huesos y músculos del hombro y el brazo, pero varían mucho en los módulos de sus manos. Pensamos que esto puede estar relacionado con los cambios funcionales entre especies, sobre todo en lo que se refiere a la coordinación individual de los dedos. Y en cómo esto afecta al uso de los brazos para distintas actividades.

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Módulos musculoesqueléticos encontrados en los brazos de gibones (en el extremo derecha) y grandes simios (de derecha a izquierda: orangután, gorila, bonobo, chimpancé y humano). Estos módulos se han identificando utilizando algoritmos de teoría de redes aplicados a las redes musculoesqueléticas (nodos = huesos + músculos; conexiones = articulaciones y inserciones) .

Uno de los resultados que nos ha llamado la atención ha sido no encontrar un módulo distinto para el pulgar en humanos, como sí lo hicimos en otros primates. Cabe recordar que el pulgar oponible no es exclusivo de humanos. Muchos otros primates lo tienen también, así como algunos marsupiales como didélfidos y koalas, y algunas especies de ranas. En el caso de los humanos, pensamos que esto se debe a la pérdida durante nuestra evolución de algunos de los músculos del pulgar, lo cual puede haber propiciado una mayor integración del pulgar con otros los dedos.

En resumen, lo que nos gustaría destacar de este trabajo es el uso de esta nueva técnica de estudio, el análisis de redes anatómicas, para entender mejor la evolución de las especies. Un desarrollo interesante de este método lo están realizando científicos en el campo de las neurociencias, los cuales están empezando a estudiar la integración de las redes musculoesqueléticas, como las de este estudio, con el control motor del cerebro. De esto otro hablaremos otro día.

Artículo original: Molnar JL, Esteve-Altava B, Rolian C, Diogo R. 2017. Comparison of musculoskeletal networks of the primate forelimb. Scientific Reports 7: 10520. http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-09566-7