A pesar del gran progreso de la neurociencia desde los años de Santiago Ramón y Cajal, a quien se lo conoce como el “primer cartógrafo del cerebro”, porque desentrañó los misterios de la estructura del sistema nervioso, aún hoy hay muchos misterios que los científicos no han podido resolver del órgano que comanda el organismo: desde cómo se genera la consciencia o la memoria hasta por qué se producen las enfermedades neurológicas.
La buena noticia hoy es que científicos de todo el mundo han creado el atlas más grande de células cerebrales humanas hasta el momento, revelando más de 3.000 tipos de células, muchas de las cuales son nuevas para la ciencia, lo que abre las puertas al desarrollo de tratamientos y la curación de enfermedades cerebrales como la esquizofrenia o Alzheimer así como su prevención.
El trabajo, publicado ayr en un paquete de 21 artículos en Science , Science Advances y Science Translational Medicine, ayudará al estudio de las enfermedades, la cognición y lo que nos hace humanos, entre otras cosas, dicen los autores.
Los estudios son fruto del trabajo realizado por los científicos en la llamada Iniciativa BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) - Cell Census Network (BICCN), un grupo de centros en Estados Unidos y Europa que desde 2014 ha estado trabajando en la caracterización de los tipos celulares, y sus funciones, en los cerebros de humanos, de primates no humanos y de roedores. Sus objetivos son generar, mapear y compartir estos datos con la comunidad.
El enorme atlas celular ofrece una instantánea detallada del órgano más complejo conocido. “Es muy significativo”, dijo Anthony Hannan, neurocientífico del Instituto Florey de Neurociencia y Salud Mental en Melbourne, Australia.
Los investigadores ya habían mapeado el cerebro humano utilizando técnicas como la resonancia magnética, pero este es el primer atlas de todo el cerebro humano a nivel unicelular, que muestra sus intrincadas interacciones moleculares, añadió Hannan. “Este tipo de atlas realmente están sentando las bases para una comprensión mucho mejor del cerebro humano”.
Los descubrimientos
El cerebro humano está compuesto por 86.000 millones de neuronas y un número similar de células no neuronales. Los investigadores han caracterizado más de 3.000 tipos de células del cerebro humano, lo que ha revelado características que distinguen a los humanos de otros primates.
Los científicos prevén que la identificación de células cerebrales con tanto detalle permitirá señalar los tipos celulares más afectados por mutaciones específicas que provocan enfermedades neurológicas.
Kimberly Siletti, neurocientífica actualmente en el Centro Médico Universitario de Utrecht en los Países Bajos, y su equipo sentaron la piedra angular del atlas al secuenciar el ARN de más de 3 millones de células individuales de 106 lugares que cubren todo el cerebro humano, utilizando muestras de tejido de tres donantes varones fallecidos. También incluyeron una disección de la corteza motora de una donante que se había utilizado en estudios anteriores. Su análisis documentó 461 categorías amplias de células cerebrales que incluían más de 3.000 subtipos. “Me sorprendió la cantidad de tipos de células diferentes que había”, dijo Siletti.
En un sentido más amplio, el atlas celular del cerebro abrirá nuevas puertas para entender cómo millones de neuronas trabajan de forma conjunta para formar una red que es la base de lo que constituye un ser humano: sus pensamientos, emociones y comportamientos.
Joseph Ecker, director del Laboratorio de Análisis Genómico del Instituto Salk de Estados Unidos, una de la instituciones que forman parte de la Iniciativa BRAIN, declaró en un comunicado que el conjunto de 21 estudios “es el inicio de una nueva era de la ciencia cerebral”. “Seremos capaces de entender mejor cómo el cerebro se desarrolla, envejece y sufre enfermedades”, añadió Ecker.
Los investigadores señalaron que todas las células del cerebro humano contienen la misma secuencia de ADN pero cada tipo celular usa diferentes genes copiados en filamentos de ARN, y en cantidades distintas, para crear proteínas. Esta variación produce muchos tipos diferentes de células cerebrales y contribuyen a la complejidad de los circuitos neurales.
Identificar los interruptores que activan o bloquean la expresión genética en las células cerebrales podría ser útil para diagnosticar trastornos cerebrales y desarrollar tratamientos personalizados, afirmó Ecker. “Esa es otra herramienta que surge de la caja de herramientas que estamos construyendo”, señaló.
Uno de los objetivos claves del proyecto fue entender qué características de la organización de células cerebrales es específica a humanos en comparación con la de primates no humanos. La investigación demostró que las neuronas de los chimpancés, que son los primates que comparten el ancestro más reciente con los humanos, son más parecidas a las neuronas de gorilas que a las de humanos.
El entendimiento de las diferencias moleculares de estos tipos celulares es crítico para comprender cómo funciona el cerebro, cómo las mutaciones en el ADN causan enfermedades cerebrales y desarrollar nuevas formas de tratamiento de trastornos neuropsiquiátricos.
El núcleo del atlas son tres estudios que han creado el primer borrador del atlas, incluida la expresión génica y la arquitectura reguladora génica.
Uno de ellos, liderado por Bing Ren, biólogo molecular de la Universidad de California en San Diego, y su equipo, científicos de la Universidad de San Diego, analizó más de 1,1 millones de células de 42 regiones de tres cerebros humanos para generar un detallado mapa de los interruptores genéticos en tipos de células cerebrales.
El estudio, que identificó 107 diferentes subtipos de células cerebrales, también reveló las conexiones entre determinados tipos celulares y varios trastornos neuropsiquiátricos como esquizofrenia, trastornos bipolares, alzheimer y depresión.
El siguiente paso del equipo BICCN es secuenciar más células de todas las partes del cerebro, afirmó Ren. Los investigadores también trabajarán con más muestras de tejido para crear una imagen de cómo el cerebro humano puede variar entre poblaciones y grupos de edad. “Esto es sólo el comienzo”, dijo Ren.
Los científicos también desarrollaron herramientas de inteligencia artificial (IA) para predecir cómo determinadas variaciones en la secuencia de ADN puede influir la regulación génica y contribuir a la aparición de enfermedades.
Además, un equipo de investigadores de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai y la Escuela de Medicina de la Universidad de Yale creó el primer atlas del desarrollo de células cerebrales en la corteza cerebral durante seis periodos, desde el feto hasta la edad adulta.
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