La tomografía computarizada del cráneo de un pez fosilizado de 319 millones de años, extraído de una mina de carbón en Inglaterra hace más de un siglo, ha revelado el ejemplo más antiguo de un cerebro vertebrado bien conservado.

El cerebro y sus nervios craneales miden unos dos centímetros de largo y pertenecen a un pez extinto del tamaño de una mojarra. Según los autores de un estudio dirigido por la Universidad de Michigan que se publicó en Nature, el descubrimiento abre una ventana a la anatomía neural y a la evolución temprana del principal grupo de peces vivos en la actualidad, los peces de aletas rayadas.

Este hallazgo fortuito también aporta información sobre la conservación de partes blandas en fósiles de animales vertebrados. La mayoría de los fósiles de animales de las colecciones de los museos se formaron a partir de partes duras del cuerpo, como huesos, dientes y conchas.

El cerebro escaneado por TC analizado para el nuevo estudio pertenece a Coccocephalus wildi, un primitivo pez con aletas rayadas que nadaba en un estuario y probablemente se alimentaba de pequeños crustáceos, insectos acuáticos y cefalópodos, un grupo que hoy incluye calamares, pulpos y sepias. Los peces de aletas rayadas tienen columna vertebral y aletas sostenidas por barras óseas llamadas radios.

Cuando el pez moría, los tejidos blandos de su cerebro y nervios craneales eran sustituidos durante el proceso de fosilización por un denso mineral que conservaba, con exquisito detalle, su estructura tridimensional.

Cráneo fosilizado de Coccocephalus wildi, un pez con aletas rayadas que nadaba en un estuario hace 319 millones de años. El pez está orientado hacia la derecha, con las mandíbulas visibles en la parte inferior derecha del fósil. La cuenca ocular es el elemento circular y abultado situado sobre las mandíbulas. Este pez tendría entre 15 y 20 cm de longitud, aproximadamente el tamaño de un pez azul | foto Jeremy Marble, University of Michigan News.

Una conclusión importante es que este tipo de partes blandas pueden conservarse en fósiles que tenemos desde hace mucho tiempo: éste es un fósil que se conoce desde hace más de 100 años, dijo el paleontólogo de la UM Matt Friedman, autor principal del nuevo estudio y director del Museo de Paleontología.

El autor principal es el estudiante de doctorado de la UM Rodrigo Figueroa, que realizó el trabajo como parte de su tesis, bajo la dirección de Friedman, en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Medioambientales. El otro autor principal es Sam Giles, del Museo de Historia Natural de Londres y de la Universidad de Birmingham.

Este fósil superficialmente poco impresionante y pequeño no sólo nos muestra el ejemplo más antiguo de un cerebro vertebrado fosilizado, sino que también demuestra que mucho de lo que pensábamos sobre la evolución del cerebro a partir únicamente de las especies vivas tendrá que ser reelaborado, dijo Figueroa.

Con la amplia disponibilidad de las modernas técnicas de imagen, no me sorprendería que descubriéramos que los cerebros fósiles y otras partes blandas son mucho más comunes de lo que pensábamos. A partir de ahora, nuestro grupo de investigación y otros observarán las cabezas de pez fósiles con una perspectiva nueva y diferente.

El cráneo fósil de Inglaterra es el único espécimen conocido de su especie, por lo que durante el estudio dirigido por la U-M sólo pudieron utilizarse técnicas no destructivas.

El trabajo sobre Coccocephalus forma parte de una iniciativa más amplia de Friedman, Figueroa y sus colegas que utiliza la tomografía computarizada (TC) para observar el interior de los cráneos de los primeros peces con aletas rayadas. El objetivo de este estudio más amplio es obtener detalles anatómicos internos que permitan comprender mejor las relaciones evolutivas.

Tomografía computarizada del cráneo de Coccocephalus wildi, que muestra el cerebro fosilizado y las estructuras asociadas. El cerebro y los nervios craneales aparecen en blanco brillante en el centro de las imágenes. El pez está orientado hacia la izquierda. Las cuencas oculares son las grandes áreas ovaladas negras rodeadas de hueso, y las mandíbulas están debajo de las cuencas oculares | foto Figueroa et al. en Nature, febrero de 2023.

En el caso de C. wildi, Friedman no buscaba un cerebro cuando encendió su escáner micro-TC y examinó el cráneo fósil. Lo escaneé, cargué los datos en el software que utilizamos para visualizar estos escáneres y me di cuenta de que había un objeto inusual y distinto dentro del cráneo, explica.

La mancha no identificada era más brillante en la imagen de TC -y, por tanto, probablemente más densa- que los huesos del cráneo o la roca circundante. Es habitual ver crecimientos minerales amorfos en los fósiles, pero este objeto tenía una estructura claramente definida, explica Friedman.

El misterioso objeto presentaba varias características propias de los cerebros de vertebrados: era bilateralmente simétrico, contenía espacios huecos de aspecto similar a los ventrículos y tenía múltiples filamentos que se extendían hacia las aberturas del encéfalo, de aspecto similar a los nervios craneales, que viajan a través de estos canales en las especies vivas.

Tenía todas estas características, y me dije: ¿Esto que estoy viendo es realmente un cerebro?. explica Friedman. Así que amplié esa región del cráneo para hacer un segundo escáner de mayor resolución, y estaba muy claro que eso era exactamente lo que tenía que ser. Y sólo porque se trataba de un ejemplo tan inequívoco decidimos ir más allá.

Aunque rara vez se ha encontrado tejido cerebral conservado en fósiles de vertebrados, los científicos han tenido más éxito con los invertebrados. Por ejemplo, en 2021 se descubrió el cerebro intacto de un cangrejo de herradura de 310 millones de años, y los escáneres de insectos encerrados en ámbar han revelado cerebros y otros órganos. Incluso hay pruebas de cerebros y otras partes del sistema nervioso registradas en especímenes aplanados de más de 500 millones de años.

En 2009 se informó de la conservación del cerebro de un pariente de tiburón de 300 millones de años de antigüedad. Pero los tiburones, las rayas y las noriegas son peces cartilaginosos, que en la actualidad albergan relativamente pocas especies en comparación con el linaje de peces con aletas rayadas que contiene el Coccocephalus. Los primeros peces con aletas rayadas, como el Coccocephalus, pueden ayudar a los científicos a comprender las fases evolutivas iniciales del grupo de peces más diverso de la actualidad, que incluye desde la trucha al atún, pasando por el caballito de mar o la platija.

Existen unas 30.000 especies de peces con aletas rayadas, y representan aproximadamente la mitad de todas las especies de animales vertebrados. La otra mitad se divide entre vertebrados terrestres -aves, mamíferos, reptiles y anfibios- y grupos de peces menos diversos, como los peces sin mandíbula y los peces cartilaginosos.

El Museo de Manchester, en Inglaterra, ha prestado a Friedman el cráneo fósil de Coccocephalus. Se recuperó del techo de la mina de carbón de Mountain Fourfoot, en Lancashire, y fue descrito científicamente por primera vez en 1925. El fósil se encontró en una capa de esteatita adyacente a una veta de carbón de la mina.

Aunque sólo se recuperó el cráneo, los científicos creen que C. wildi medía entre 15 y 20 centímetros. A juzgar por la forma de su mandíbula y sus dientes, probablemente era carnívoro, según Figueroa.

Cuando el pez murió, los científicos sospechan que fue enterrado rápidamente en sedimentos con escasa presencia de oxígeno. Estos ambientes pueden ralentizar la descomposición de las partes blandas del cuerpo.

Además, un microambiente químico en el interior de la caja craneal podría haber contribuido a preservar los delicados tejidos cerebrales y a sustituirlos por un mineral denso, posiblemente pirita, según Figueroa.

Las pruebas que apoyan esta idea proceden de los nervios craneales, que envían señales eléctricas entre el cerebro y los órganos sensoriales. En el fósil de Coccocephalus, los nervios craneales están intactos dentro del encéfalo, pero desaparecen al salir del cráneo.

Parece haber, dentro de este vacío estrechamente cerrado en el cráneo, un pequeño microambiente que es propicio para la sustitución de las partes blandas con algún tipo de fase mineral, capturando la forma de los tejidos que de otro modo simplemente se descompondrían, dijo Friedman.

El análisis detallado del fósil, junto con comparaciones con cerebros de peces modernos de la colección del Museo de Zoología de la UM, reveló que el cerebro de Coccocephalus tiene un cuerpo central del tamaño de una pasa con tres regiones principales que se corresponden aproximadamente con el cerebro anterior, el cerebro medio y el cerebro posterior de los peces vivos.

Los nervios craneales salen de ambos lados del cuerpo central. Vistos como una sola unidad, el cuerpo central y los nervios craneales se asemejan a un crustáceo diminuto, como una langosta o un cangrejo, con brazos, patas y pinzas salientes.

Según los autores, la estructura del cerebro de Coccocephalus indica un patrón de evolución del cerebro de los peces más complicado de lo que sugieren las especies vivas por sí solas. Estas características confieren al fósil un valor real para comprender los patrones de evolución del cerebro, en lugar de ser simplemente una curiosidad de conservación inesperada, dijo Figueroa.

Por ejemplo, todos los peces de aletas rayadas vivos tienen un cerebro evertido, lo que significa que los cerebros de los peces embrionarios se desarrollan doblando los tejidos desde el interior del embrión hacia fuera, como un calcetín vuelto del revés. Todos los demás vertebrados tienen cerebros evaginados, lo que significa que el tejido neural de los cerebros en desarrollo se pliega hacia dentro.

A diferencia de todos los peces de aletas rayadas vivos, el cerebro de Coccocephalus se pliega hacia dentro, explica Friedman. Por lo tanto, este fósil capta una época anterior a la evolución de este rasgo característico de los cerebros de los peces de aletas rayadas. Esto nos proporciona algunas limitaciones sobre cuándo evolucionó este rasgo, algo que no conocíamos bien antes de los nuevos datos sobre Coccocephalus.

Las comparaciones con peces vivos demostraron que el cerebro de Coccocephalus es muy similar al de los esturiones y los peces espátula, que a menudo se denominan peces «primitivos» porque divergieron de todos los demás peces con aletas rayadas hace más de 300 millones de años.

Fuentes

University of Michigan | Figueroa, R.T., Goodvin, D., Kolmann, M.A. et al. Exceptional fossil preservation and evolution of the ray-finned fish brain. Nature (2023). doi.org/10.1038/s41586-022-05666-1

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