Pasos en el desarrollo de la geografía celular del cerebro revelados por nuevos estudios
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Dos nuevos estudios del cerebro humano en desarrollo están ayudando a los investigadores a reconciliar un debate de larga data sobre cómo se forma el cerebro. La investigación aparece el 6 de octubre en una edición especial de Nature que destaca los estudios que contribuyen a un censo de células, o «lista de partes», del cerebro.
Los artículos de UC San Francisco arrojan luz sobre cómo la corteza cerebral en desarrollo, la capa más externa del cerebro, asociada con el procesamiento de alto nivel, desarrolla su mapa característico, que es común a todos los seres humanos y fundamental para nuestro funcionamiento.
El trabajo también valida un nuevo enfoque para predecir en qué tipo de células pueden convertirse las primeras neuronas humanas y proporciona un amplio conjunto de datos para los investigadores que trabajan para aclarar los vínculos entre el desarrollo del cerebro y las enfermedades psiquiátricas y neurológicas.
«Comprender cómo el cerebro humano se desarrolla, mostrar que las células maduran y se conectan entre regiones sigue siendo un gran problema», dice Arnold Kriegstein, MD, Ph.D., profesor de Neurología y miembro del Instituto Weill de Neurociencias de la UCSF y ex director del Centro de Neurociencias Eli and Edythe Broad. Medicina Regenerativa e Investigación con Células Madre. «Hoy existe un esfuerzo global para utilizar nueva tecnología para comprender el cerebro en desarrollo a nivel molecular y celular de una manera que nunca antes había sido posible».
Un tipo especial de mapa
La intrincada topografía del cerebro lo distingue de otros órganos del cuerpo. En el riñón o el hígado, la eliminación de un trozo probablemente tendrá efectos similares, ya sea de la parte superior o inferior del órgano. Pero en el cerebro, el daño puede tener consecuencias muy diferentes según la ubicación. El daño cerebral hacia la parte posterior del cráneo probablemente afectará la visión, por ejemplo, mientras que el daño en el costado podría causar problemas para moverse o sentir el tacto. Si bien los neurocientíficos conocen bien este mapa y su importancia, durante mucho tiempo han debatido cómo llega a ser.
Durante años, los investigadores se han preguntado si el tejido primitivo del cerebro podría contener un mapa preestablecido que simplemente se transfiere a la corteza a medida que se desarrolla una idea denominada hipótesis del protomapa. Otros favorecieron la hipótesis de la protocorteza en competencia, que supone que todas las neuronas tempranas tienen el potencial de convertirse en cualquier parte del cerebro y que son sus interacciones continuas entre sí las que ayudan a cada neurona a descubrir su destino final dentro del mapa cerebral en crecimiento.
«Nuestros nuevos hallazgos dicen que es un poco de ambos», dijo Kriegstein.
Aplicando una metodología de vanguardia, Kriegstein y su equipo analizaron los perfiles de expresión genética de cientos de miles de células cerebrales en desarrollo . Descubrieron que las células en la corteza prefrontal, un área en la parte frontal del cerebro asociada con la cognición, y V1, una región en la parte posterior del cerebro importante para la visión, expresaban genes vinculados a sus respectivas regiones en una etapa muy temprana. Sin embargo, el desarrollo de células entre los dos polos del cerebro tomó mucho más tiempo para comenzar a mostrar patrones de expresión génica que los destinaron a ubicaciones específicas.
«Lo que vemos es que al principio solo hay dos áreas básicas del cerebro corteza que difieren claramente entre la parte delantera y la trasera», dice Kriegstein. «Pero más tarde, las áreas intermedias comienzan a subdividirse, posiblemente porque las interacciones en curso influyen en las identidades celulares en esas áreas».
En otras palabras, la organización en desarrollo de la corteza cerebral parece comenzar con un protomapa predeterminado que establece los polos del cerebro, pero cambia rápidamente a un modelo de protocorteza a medida que las células en el medio ayudan a dirigir las identidades de cada una.
Predecir la identidad antes
En un estudio paralelo, Los investigadores de la UCSF dieron un paso más hacia la comprensión del desarrollo del cerebro con más detalle al establecer un nuevo método para predecir el destino final de las células neuronales tempranas. En lugar de identificar células individuales observando la expresión génica en forma de órdenes de trabajo moleculares de transcritos de ARNm que le dicen a la maquinaria celular qué proteínas construir, los investigadores se preguntaron si la identidad celular podría determinarse observando la estructura del material genético en sí. Al centrar su atención en la cromatina, el desorden de las hebras de ADN y las proteínas empaquetadas de forma única en cada célula, descubrieron que el destino del linaje de una célula podía predecirse incluso antes de la etapa en la que podría llamarse neurona. Eso significa que el estado de la cromatina puede revelar información clave sobre las células en desarrollo que no se puede capturar solo en la expresión génica.
Eso puede deberse a que el ARNm tiene una vida corta dentro de la célula, dicen los investigadores, ya que funciona simplemente para entregar instrucciones de una parte de la célula a otra. Pero la estructura creada por la forma en que el ADN se enrolla alrededor de varias proteínas, el «estado de cromatina» de la célula, es más estable y determina directamente qué instrucciones se envían. Las piezas de ADN que están estrechamente envueltas alrededor de las proteínas tienen sus genes escondidos y cerrados para el negocio, por así decirlo, mientras que los genes que sobresalen de las proteínas están abiertos. Por lo tanto, tiene sentido que examinar el estado de la cromatina pueda brindarles a los investigadores mucha información sobre lo que sucede dentro de una célula.
Un recurso para todos
El trabajo de Kriegstein y sus colegas llega lejos más allá de las preguntas formuladas en sus estudios actuales, sin embargo. Al mapear la expresión génica y los estados de cromatina en el cerebro en desarrollo, el equipo ha creado una base de datos única disponible gratuitamente aquí donde los científicos pueden analizar el comportamiento de los genes que ya saben que están implicados con la enfermedad. Los científicos saben que las condiciones desde el Parkinson hasta la esquizofrenia y los trastornos del desarrollo neurológico parecen involucrar tipos de células muy específicos o momentos muy específicos durante la vida del cerebro. Pero los científicos saben poco acerca de cómo o cuándo las células neuronales tienen problemas y si se podría hacer algo para protegerlas.
«La ubicación y las identidades de las células tienen mucho que ver con su vulnerabilidad». a enfermedades específicas», dice Kriegstein. «Nuestro conjunto de datos es muy rico en la expresión de genes que otras personas ya han identificado como asociados con una gran variedad de enfermedades. Podría darnos una idea de dónde y cuándo comienzan a surgir algunas de estas enfermedades».
Explorar más
El origen de dos tipos de neuronas revela cómo emerge cierta diversidad celular en el cerebro Más información: Bhaduri, A., Sandoval-Espinosa, C., Otero-Garcia , Metal. Un atlas de realización cortical identifica firmas moleculares dinámicas. Naturaleza 598, 200204 (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-03910-8 , www.nature.com/articles/s41586-021-03910-8 Información de la revista: Nature
Proporcionado por la Universidad de California, San Francisco Cita: Pasos en el desarrollo de la geografía celular del cerebro revelados por nuevos estudios (2021, 7 de octubre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-10-brain -cell-geography-revealed.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.