Los neurocientíficos lanzan el primer atlas completo de las células cerebrales
Rebanada del cerebro de un ratón transgénico, en el que las neuronas definidas genéticamente en la corteza cerebral están marcadas con un gen reportero rojo fluorescente. Crédito: Tanya Daigle, Instituto Allen
Cuando hizo clic para leer esta historia, una banda de células en la parte superior de su cerebro envió señales por su columna y hacia su mano para decirles a los músculos de su dedo índice que presionen hacia abajo con la cantidad justa de presión para activar el mouse o el trackpad.
Una serie de nuevos estudios ahora muestra que el área del cerebro responsable de iniciar esta acción, la corteza motora primaria, que controla el movimiento, tiene hasta 116 tipos diferentes de células que trabajan juntas para que esto suceda.
Los 17 estudios, que aparecen en línea el 6 de octubre en la revista Nature, son el resultado de cinco años de trabajo de un gran consorcio de investigadores apoyado por la iniciativa Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) de los Institutos Nacionales de la Salud para identificar la miríada de diferentes tipos de células en una porción del cerebro. Es el primer paso en un proyecto a largo plazo para generar un atlas de todo el cerebro para ayudar a comprender cómo las redes neuronales en nuestra cabeza controlan nuestro cuerpo y mente y cómo se interrumpen en casos de problemas mentales y físicos.
«Si piensas en el cerebro como una máquina extremadamente compleja, ¿cómo podríamos entenderlo sin primero descomponerlo y conocer las partes?» preguntó la neurocientífica celular Helen Bateup, de la Universidad de California, Berkeley, profesora asociada de biología molecular y celular y coautora del artículo principal que sintetiza los resultados de los otros artículos. «La primera página de cualquier manual de cómo funciona el cerebro debería decir: Aquí están todos los componentes celulares, así son cuántos hay, aquí están ubicados y a quiénes se conectan».
Los investigadores individuales han identificado previamente docenas de tipos de células en función de su forma, tamaño, propiedades eléctricas y qué genes se expresan en ellas. Los nuevos estudios identifican alrededor de cinco veces más tipos de células, aunque muchos son subtipos de tipos de células bien conocidos. Por ejemplo, las células que liberan neurotransmisores específicos, como el ácido gamma-aminobutírico (GABA) o el glutamato, tienen cada una más de una docena de subtipos que se distinguen entre sí por su expresión génica y sus patrones de activación eléctrica.
Mientras que la actual Los documentos abordan solo la corteza motora, la Red de Censo Celular de la Iniciativa BRAIN (BICCN) creada en 2017 se esfuerza por mapear todos los diferentes tipos de células en todo el cerebro, que consta de más de 160 mil millones de células individuales, tanto neuronas como células de apoyo llamadas glía. La Iniciativa BRAIN fue lanzada en 2013 por el entonces presidente Barack Obama.
«Una vez que tenemos todas esas partes definidas, podemos subir un nivel y comenzar a comprender cómo esas partes funcionan juntas, cómo se forman un circuito funcional, cómo eso finalmente da lugar a percepciones y comportamientos y cosas mucho más complejas», dijo Bateup.
Junto con el exprofesor de UC Berkeley, John Ngai, Bateup y su colega de UC Berkeley, Dirk Hockemeyer, ya han utilizado CRISPR -Cas9 para crear ratones en los que se marca un tipo de célula específico con un marcador fluorescente, lo que les permite rastrear las conexiones que hacen estas células en todo el cerebro. Para el artículo principal de la revista, el equipo de Berkeley creó dos cepas de ratones reporteros «knock-in» que proporcionaron herramientas novedosas para iluminar las conexiones de los tipos de células recién identificados, dijo.
«Uno de nuestros muchos Las limitaciones en el desarrollo de terapias efectivas para los trastornos del cerebro humano es que simplemente no sabemos lo suficiente sobre qué células y conexiones están siendo afectadas por una enfermedad en particular y, por lo tanto, no podemos determinar con precisión qué y dónde debemos enfocarnos», dijo Ngai, quien lideró los esfuerzos de la Iniciativa Cerebral de UC Berkeley antes de ser elegido el año pasado para dirigir toda la iniciativa nacional. «La información detallada sobre los tipos de células que componen el cerebro y sus propiedades permitirán, en última instancia, el desarrollo de nuevas terapias para enfermedades neurológicas y neuropsiquiátricas».
Ngai es uno de los 13 autores correspondientes del artículo principal, que tiene más de 250 coautores en total.
Bateup, Hockemeyer y Ngai colaboraron en un estudio anterior para perfilar todos los genes activos en células únicas productoras de dopamina en el cerebro medio del ratón, que tiene estructuras similares a cerebros humanos Esta misma técnica de perfilado, que consiste en identificar todas las moléculas de ARN mensajero específicas y sus niveles en cada célula, fue empleada por otros investigadores de BICCN para perfilar células en la corteza motora. Este tipo de análisis, que utiliza una técnica llamada secuenciación de ARN de una sola célula, o scRNA-seq, se conoce como transcriptómica.
La técnica scRNA-seq fue uno de casi una docena de métodos experimentales independientes utilizados por el Equipo BICCN para caracterizar los diferentes tipos de células en tres mamíferos diferentes: ratones, monos tití y humanos. Cuatro de estos involucraron diferentes formas de identificar los niveles de expresión génica y determinar la arquitectura de la cromatina del genoma y el estado de metilación del ADN, lo que se denomina epigenoma. Otras técnicas incluyeron grabaciones de abrazaderas de parche electrofisiológicas clásicas para distinguir las células por cómo disparan potenciales de acción, clasificar las células por forma, determinar su conectividad y observar dónde están ubicadas espacialmente las células dentro del cerebro. Varios de estos utilizaron aprendizaje automático o inteligencia artificial para distinguir los tipos de células.
«Esta fue la descripción más completa de estos tipos de células, y con alta resolución y diferentes metodologías», dijo Hockemeyer. «La conclusión del artículo es que existe una notable superposición y consistencia en la determinación de los tipos de células con estos diferentes métodos».
Un equipo de estadísticos combinó datos de todos estos métodos experimentales para determinar la mejor manera de clasificar o agrupar las células. en diferentes tipos y, presumiblemente, diferentes funciones basadas en las diferencias observadas en la expresión y los perfiles epigenéticos entre estas células. Si bien existen muchos algoritmos estadísticos para analizar dichos datos e identificar grupos, el desafío fue determinar qué grupos eran realmente diferentes entre sí, tipos de células realmente diferentes, dijo Sandrine Dudoit, profesora de UC Berkeley y directora del Departamento de Estadística. Ella y la bioestadística Elizabeth Purdom, profesora asociada de estadística de UC Berkeley, fueron miembros clave del equipo estadístico y coautores del artículo principal.
«La idea no es crear otro nuevo método de agrupación, sino para encontrar formas de aprovechar las fortalezas de diferentes métodos y combinar métodos y evaluar la estabilidad de los resultados, la reproducibilidad de los grupos que obtienes», dijo Dudoit. «Ese es realmente un mensaje clave sobre todos estos estudios que buscan nuevos tipos de células o nuevas categorías de células: no importa qué algoritmo pruebes, obtendrás grupos, por lo que es clave tener confianza en tus resultados».
Bateup señaló que la cantidad de tipos de células individuales identificados en el nuevo estudio dependía de la técnica utilizada y oscilaba entre docenas y 116. Un hallazgo, por ejemplo, fue que los humanos tienen aproximadamente el doble de tipos diferentes de neuronas inhibidoras como neuronas excitatorias en esta región del cerebro, mientras que los ratones tienen cinco veces más.
«Antes, teníamos algo así como 10 o 20 tipos de células diferentes que se habían definido, pero no teníamos idea de si el Las células que definíamos por sus patrones de expresión génica eran las mismas que las definidas en función de sus propiedades electrofisiológicas, o las mismas que los tipos de neuronas definidos por su morfología», dijo Bateup.
«El gran avance por el BICCN es que combinamos muchas formas diferentes de definir una celda tipo y los integró para llegar a una taxonomía de consenso que no solo se basa en la expresión génica o en la fisiología o la morfología, sino que tiene en cuenta todas esas propiedades», dijo Hockemeyer. «Entonces, ahora podemos decir que este tipo de célula en particular expresa estos genes, tiene esta morfología, tiene estas propiedades fisiológicas y está ubicado en esta región particular de la corteza. Entonces, tiene una comprensión granular mucho más profunda de lo que ese tipo de célula es y sus propiedades básicas».
Dudoit advirtió que los estudios futuros podrían mostrar que la cantidad de tipos de células identificados en la corteza motora es una sobreestimación, pero los estudios actuales son un buen comienzo para armar un atlas celular de todo el cerebro.
«Incluso entre los biólogos, hay opiniones muy diferentes en cuanto a cuánta resolución debe tener para estos sistemas, si existe esta estructura de agrupamiento muy, muy fina o si realmente tiene un nivel más alto tipos de células que son más estables», dijo. «Sin embargo, estos resultados muestran el poder de la colaboración y la unión de esfuerzos entre diferentes grupos. Estamos comenzando con una pregunta biológica, pero un biólogo por sí solo no podría haber resuelto ese problema. Para abordar un gran problema desafiante como ese, necesita un equipo de expertos en un montón de disciplinas diferentes que pueden comunicarse bien y trabajar bien entre sí».
Otros miembros del equipo de UC Berkeley incluyeron a los científicos postdoctorales Rebecca Chance y David Stafford, el estudiante graduado Daniel Kramer , la técnica de investigación Shona Allen del Departamento de Biología Molecular y Celular, el estudiante de doctorado Héctor Roux de Bzieux de la Escuela de Salud Pública y el becario postdoctoral Koen Van den Berge del Departamento de Estadística. Bateup es miembro del Instituto de Neurociencia Helen Wills, Hockemeyer es miembro del Instituto de Genómica Innovadora y ambos son investigadores financiados por Chan Zuckerberg Biohub.
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Un mapa ultra detallado de la región del cerebro que controla el movimiento, desde ratones hasta monos y humanos 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 la Universidad de California – Berkeley Cita: Los neurocientíficos lanzan el primer atlas completo del cerebro cell (2021, 6 de octubre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-10-neuroscientists-comprehensive-atlas-brain-cells.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.