Un mapa ultra detallado de la región del cerebro que controla el movimiento, desde ratones hasta monos y humanos

Reconstrucciones digitales de neuronas humanas superpuestas en una rebanada de tejido cerebral donada por un paciente de cirugía cerebral. Los investigadores del Instituto Allen pueden capturar información eléctrica de estas neuronas humanas vivas, así como su forma 3D y expresión génica, a través de una técnica conocida como Patch-seq. Esta imagen muestra varios tipos diferentes de neuronas humanas en la circunvolución temporal medial de la neocorteza, la capa más externa del cerebro de los mamíferos. Crédito: Instituto Allen

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Probablemente no parecía mucho, pero ese tipo de movimiento simple requirió el esfuerzo concertado de millones de neuronas diferentes en varias regiones de su cerebro, seguido de señales enviadas a 200 mph desde su cerebro a su médula espinal y luego a los músculos que se contrajeron para mover el brazo.

A nivel celular, ese movimiento rápido es un proceso muy complicado y, como la mayoría de las cosas que involucran al cerebro humano, los científicos no entienden completamente cómo funciona todo. se junta.

Ahora, por primera vez, las neuronas y otras células involucradas en una región del cerebro de humanos, ratones y monos que controla el movimiento han sido mapeadas con exquisito detalle. Sus creadores, un gran consorcio de neurocientíficos reunidos por la Iniciativa de Investigación del Cerebro a través del Avance de Neurotecnologías Innovadoras (BRAIN) de los Institutos Nacionales de la Salud, dicen que este atlas del cerebro allanará el camino para mapear todo el cerebro de los mamíferos, así como para comprender mejor las misteriosas enfermedades cerebrales, incluidas aquellas que atacan las neuronas que controlan el movimiento, como la esclerosis lateral amiotrófica o ELA.

El atlas se describe en un paquete especial de 17 artículos publicados hoy en la revista Nature, incluido un único artículo principal que describe todo el atlas.

Los científicos del Instituto Allen están estudiando neuronas humanas que parecen estar altamente especializadas en comparación con sus contrapartes de roedores. Uno de estos tipos de neuronas recientemente descritos, la neurona CARM1P1, envía conexiones de largo alcance en el cerebro y puede ser selectivamente vulnerable en la enfermedad de Alzheimer. Crédito: Instituto Allen

«En un cerebro humano, hay más de 160 mil millones de células. Nuestro cerebro tiene más de 20 veces más células que personas en este mundo», dijo Hongkui Zeng, Ph.D., vicepresidente ejecutivo Presidente y Director del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, una división del Instituto Allen, e investigador principal en varios estudios financiados por la Iniciativa BRAIN. «Para comprender cómo funciona un sistema, primero debe crear una lista de piezas. Luego, debe comprender qué hace cada parte y juntar las piezas para comprender cómo funciona todo el sistema. Eso es lo que estamos haciendo con el cerebro. «

La colaboración masiva financiada por la Iniciativa BRAIN involucró a docenas de equipos de investigación de todo el país que trabajaron juntos para completar un atlas célula por célula de la corteza motora primaria, una parte del cerebro de los mamíferos que controla el movimiento. . Combinando más de una docena de técnicas diferentes para definir los «tipos de células» cerebrales en tres especies diferentes de mamíferos, la recopilación de datos de acceso abierto resultante es, con mucho, el mapa más completo y detallado de cualquier parte del cerebro de los mamíferos jamás publicado. Los investigadores clasificaron los millones de neuronas y otros tipos de células cerebrales presentes en la corteza motora en muchas categorías diferentes de tipos de células. El número real de diferentes tipos de células cerebrales en esta región depende de cómo se midan, pero oscila entre varias docenas y más. de 100.

Los investigadores eligieron la corteza motora primaria en parte porque es similar en todas las especies de mamíferos, mientras que los humanos, los monos y los ratones tienen muchas diferencias entre nuestros cerebros, la forma en que controlamos el movimiento es muy similar y porque es representativa de la neocorteza, la capa más externa del cerebro de los mamíferos que no solo integra la información sensorial y motora, sino que también da lugar a nuestras complejas funciones cognitivas. Este atlas completo es un gran paso en el esfuerzo por crear un catálogo o censo de todos los tipos de células cerebrales a través de la Red de Censos de Células de la Iniciativa BRAIN, o BICCN. El NIH lanzó el BICCN en 2017, otorgando nueve subvenciones de redes colaborativas, tres de las cuales están dirigidas por investigadores del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro.

Al igual que un censo de población, el censo de células tiene como objetivo catalogar todos los diferentes tipos de células cerebrales, sus propiedades, sus proporciones relativas y sus direcciones físicas para obtener una imagen de las poblaciones de células que juntas forman nuestro cerebro. Conocer la composición celular del cerebro «normal» es un paso clave para comprender qué es lo que falla en una enfermedad.

«Si realmente queremos entender cómo funciona el cerebro, tenemos que llegar a su unidad fundamental. Y esa es la célula», dijo Ed Lein, Ph.D., investigador principal de Allen Institute for Brain Science e investigador principal en varios estudios de la Iniciativa BRAIN centrados en el cerebro humano. «Esto también es clínicamente importante porque las células son el lugar de la enfermedad. Al comprender qué células son vulnerables en diferentes enfermedades cerebrales, podemos comprender mejor y, en última instancia, tratar las enfermedades en sí mismas. La esperanza con estos estudios es que al hacer esta clasificación fundamental de las células tipos, podemos sentar las bases para comprender la base celular de la enfermedad».

Reconstrucciones completas de todo el cerebro de varios tipos diferentes de neuronas de ratón en 3D. Un nuevo estudio dirigido por investigadores del Instituto Allen y la Universidad del Sureste en Nanjing, China, capturó las formas 3D detalladas de más de 1700 neuronas individuales en el cerebro del ratón, el conjunto de datos más grande de su tipo hasta la fecha. Estudios como este ayudarán a los neurocientíficos a reconstruir vistas detalladas de los circuitos neuronales. Cada color representa una neurona individual diferente. Crédito: Instituto Allen

Los creadores del atlas utilizaron varios métodos diferentes para medir una variedad de propiedades celulares para definir un tipo de célula al correlacionar e integrar estas propiedades, que incluyen el conjunto completo de genes que activa una célula; el paisaje «epigenético» de una célula, que define cómo se regulan los genes; formas tridimensionales de las células; sus propiedades eléctricas; y cómo se conectan a otras células. La expresión génica unicelular y los datos epigenéticos fueron especialmente importantes, ya que los investigadores pudieron usar estos datos para integrar todos los demás tipos de datos de tipo celular, creando un marco común para clasificar los tipos de células y compararlos dentro y entre especies.

Los estudios requirieron no solo la colaboración entre investigadores para diseñar y ejecutar los experimentos, sino también la coordinación y el intercambio público de los datos que resultaron del proyecto atlas y otros proyectos bajo BICCN. El Centro de Datos de Células Cerebrales, o BCDC, tiene su sede en el Instituto Allen. El centro de datos, dirigido por Michael Hawrylycz, Ph.D., investigador del Allen Institute for Brain Science, ayuda a organizar el consorcio BICCN y proporciona un único punto de acceso a los centros de archivo de datos del estudio en todo el país.

«Una de nuestras muchas limitaciones en el desarrollo de terapias efectivas para los trastornos del cerebro humano es que simplemente no sabemos lo suficiente acerca de qué células y conexiones se ven afectadas por una enfermedad en particular y, por lo tanto, no podemos identificar con precisión qué y dónde necesitamos al objetivo», dijo John Ngai, Ph.D., director de NIH BRAIN Initiative. «El Instituto Allen ha desempeñado un papel importante en la coordinación de la gran cantidad de datos producidos por el proyecto de censo de células BRAIN que proporciona información detallada sobre los tipos de células que componen el cerebro y sus propiedades. Esta información, en última instancia, permitirá el desarrollo de nuevos terapias para enfermedades neurológicas y neuropsiquiátricas».

Los científicos del Allen Institute for Brain Science participaron en nueve de los 17 estudios publicados y dirigieron o codirigieron seis de ellos. Los cuatro estudios principales dirigidos por el Instituto Allen exploraron:

• Cómo se comparan los tipos de células en la corteza motora primaria entre ratones, humanos y monos tití. El equipo de investigación encontró que la mayoría de los tipos de células cerebrales de la corteza motora tienen contrapartes similares en las tres especies, con diferencias específicas de especie a nivel de proporciones de células, sus formas y propiedades eléctricas, y genes individuales que se activan y desactivan. Por ejemplo, los humanos tienen aproximadamente el doble de neuronas excitatorias que de neuronas inhibitorias en esta región del cerebro, mientras que los ratones tienen cinco veces más. Los investigadores también profundizaron en las famosas células de Betz, enormes neuronas que se proyectan a la médula espinal que existen en nosotros, los monos y muchos otros mamíferos más grandes, y capturaron las primeras grabaciones eléctricas conocidas de las células de Betz humanas, que degeneran en la ELA. Los ratones tienen neuronas relacionadas evolutivamente según programas genéticos compartidos, pero sus formas y propiedades eléctricas son muy diferentes de las de los humanos.
• Un análisis más amplio de los tipos de células cerebrales en el cerebro humano, observando el segundo y el tercero capas de la neocorteza de 6 capas. Estas capas, y la neocorteza en general, son mucho más grandes y contienen una mayor diversidad de células en humanos y otros primates en comparación con los roedores. Los investigadores del Instituto Allen utilizaron una técnica de tres puntas conocida como Patch-seq para medir las propiedades eléctricas, los genes y las formas 3D de varios tipos de neuronas en estas capas en muestras de tejido donadas por pacientes de cirugía cerebral. El estudio caracteriza estas neuronas en tejidos humanos vivos y demuestra una mayor diversidad de tipos de neuronas especializadas para comunicarse entre diferentes regiones de la corteza humana, incluida la profundización en un tipo especializado de neurona humana que es especialmente vulnerable en la enfermedad de Alzheimer.
• La colección más grande hasta la fecha de reconstrucciones completas de todo el cerebro de más de 1700 neuronas diferentes en el cerebro de ratón. Esta forma de rastreo de neuronas en 3D es extensa y complicada debido a los largos y delicados axones y dendritas de las células, pero proporciona información importante sobre las conexiones de larga distancia que hacen diferentes tipos de neuronas a través de sus ejes de axones que llegan a regiones cerebrales lejanas. Los investigadores del Instituto Allen encuentran que los ejes de los axones de estas neuronas muestran patrones extremadamente diversos, algunos con solo unas pocas ramas enfocadas, mientras que otros se extienden por grandes áreas. Por ejemplo, algunas neuronas en la estructura conocida como claustrum envían ejes de axones en forma de corona alrededor de toda la circunferencia de la neocorteza. Los patrones de conexión característicos como estos son un atributo fundamental que se utiliza para ayudar a clasificar un tipo de célula cerebral.
• La composición celular de la corteza motora primaria del ratón, que clasifica aproximadamente 500 000 neuronas y otras células cerebrales en categorías de tipo celular basadas en el conjunto de genes que activa cada célula (el «transcriptoma»), así como las modificaciones reguladoras de genes en los cromosomas de una célula (el «epigenoma»). Usando una variedad de técnicas, los investigadores del Instituto Allen y sus colaboradores generaron siete tipos de conjuntos de datos transcriptómicos y dos tipos de epigenómicos, luego desarrollaron métodos computacionales y estadísticos para integrar estos conjuntos de datos en un «árbol evolutivo» compartido de tipos de células. El estudio condujo al descubrimiento de miles de genes marcadores y otras secuencias de ADN específicas para cada uno de estos tipos de células.

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Mapeo del cerebro del ratón y, por extensión, también del cerebro humano Más información: Neurociencia: Mapeo de la corteza motora de los mamíferos, Nature ( 2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03950-0 Información de la revista: Nature

Proporcionado por Allen Institute for Brain Science Cita: Un mapa ultra detallado de la región del cerebro que controla el movimiento, de ratones a monos y humanos (6 de octubre de 2021) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-10-ultra-brain-region-movement-mice.html Este documento está sujeto a los 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.