Una reconstrucción digital de la fuente de energía del cerebro
Crédito: EPFL – Blue Brain Project
El Proyecto EPFL Blue Brain ha creado la primera reconstrucción digital de la Arquitectura Neuro-Glia-Vascular proporcionando un nuevo marco para estudiar la función cerebral en la salud y enfermedad El estudio, publicado en Cerebral Cortex, representa un hito importante: los investigadores ahora pueden reconstruir la arquitectura de entidades no neuronales como los vasos sanguíneos y las células de soporte llamadas glía. Estas reconstrucciones del tejido cerebral proporcionan un marco preciso submicrónico necesario para simular las interacciones moleculares relevantes para comprender cómo se sustentan y nutren las neuronas.
Mientras lees este artículo, tu cerebro está involucrando a las neuronas y glía para procesar la información. Esto finalmente aumenta la demanda de energía metabólica neuronal, lo que conduce a una mayor producción de energía y cambios locales en el diámetro de los vasos proximales para equilibrar esta demanda. La compleja organización estructural de las dos clases de células dominantes en el cerebro, las neuronas y la glía, que desempeñan un papel en estos efectos, se conoce como sistema Neuronal-Glial-Vascular (NGV). Ahora, por primera vez, los científicos de Blue Brain han reconstruido digitalmente la arquitectura de este sistema, incluidas las neuronas, la glía y los vasos sanguíneos.
«Creamos una reconstrucción digital basada en datos de la arquitectura NGV en submicrómetros resolución utilizando el modelo de microcircuitos neuronales de última generación de Blue Brain (Markram et al., 2015). Combinamos este último con la literatura y datos experimentales para reconstruir la disposición espacial y las morfologías de los astrocitos (el tipo glial más común en el materia gris) y su relación con la vasculatura en la corteza de la rata», explica el autor principal, Eleftherios Zisis. «Mapeamos digitalmente la forma de la glía usando un microscopio electrónico y luego recreamos matemáticamente sus formas. Luego construimos 0,2 mm3 de tejido cortical somatosensorial de rata con 16 000 neuronas morfológicamente detalladas, 2500 astrocitos protoplásmicos y su microvasculatura. La consistencia de nuestra reconstrucción con Su amplia gama de mediciones experimentales permite predicciones novedosas de la organización del NGV Esto permite la reconstrucción anatómica de microdominios astrocíticos superpuestos y la cuantificación de los pies terminales (terminales astrocíticos que envuelven los vasos sanguíneos) que conectan cada astrocito con la vasculatura, así como la cuantificación de la hasta qué punto las puntas de los pies cubren los vasos sanguíneos. Esto significa que podemos profundizar en cómo está organizado el sistema NGV y cómo funciona. Pudimos realizar mediciones simultáneas de los aspectos geométricos y funcionales del NGV, que a menudo es difícil de realizar con configuraciones experimentales», concluye.
In silico reco nstrucción a partir de datos experimentales escasos
Los datos experimentales escasos son un problema constante para la ciencia y la reconstrucción experimental de astrocitos es particularmente difícil y costosa; por lo tanto, la comunidad no puede obtener fácilmente la cantidad de células necesarias para crear circuitos completos, circuitos que pueden requerir de miles a millones de células, dependiendo del tamaño de la región del cerebro a reconstruir. El cerebro azul ya ha desarrollado un enfoque matemático novedoso utilizando la topología para describir la estructura de ramificación de las neuronas (Kanari et al) y aplicamos este enfoque a los astrocitos que tienen ramas mucho más finas para crear miles de morfologías astrocíticas únicas para cada dominio astrocítico, resolviendo así el problema de la insuficiencia de datos experimentales.
«Al reunir las estadísticas del tejido neural, surge una imagen coherente de cómo se organizan los astrocitos en el cerebro», afirma Daniel Keller, líder del equipo de Sistemas Moleculares de Blue Brain. «Esperamos que compartir nuestros hallazgos motive a los experimentadores a comprender qué tipos de datos son más útiles para su enfoque y proporcione un marco sobre cómo se pueden incorporar nuevos datos. Para garantizar la fidelidad biológica, el circuito NGV se validó con los valores informados en anatómicos». estudios y mediciones experimentales en diferentes niveles de detalle, que van desde cuántos astrocitos hay hasta la estructura de astrocitos individuales».
El enfoque in silico minimiza los costos y el tiempo del descubrimiento científico
Las reconstrucciones anatómicas in silico Blue Brain del NGV no buscan reemplazar las mediciones experimentales sino minimizar los costos y el tiempo requerido para los descubrimientos científicos. Los circuitos NGV generados algorítmicamente pueden servir como una lupa en la complejidad del cerebro, lo que permite a los científicos explorar la geometría y la topología de sus células y sus conexiones. Además, la creación de múltiples circuitos NGV, cada uno con un conjunto diferente de parámetros que reflejan cambios organizacionales en la anatomía del cerebro, podría permitir una mejor comprensión de los principios anatómicos y sus restricciones geométricas. Con estos conocimientos, los científicos pueden desarrollar experimentos más enfocados, ahorrando tiempo y costos.
Además, el estudio mostró que un circuito in silico de la arquitectura NGV podría cuantificar simultáneamente tanto la composición (densidades, cableado, áreas de superficie, y volumen) y aspectos organizativos (conectividades, distribuciones de distancia, correlaciones) de sus entidades, así como la investigación de cuestiones relativas a las complejidades de la composición de tipos de células y su relación con la capacidad computacional.
Facilitador para la investigación en la administración de fármacos y enfermedades neurodegenerativas
«Se necesita una vista de muy alta resolución de la anatomía del sistema NGV para comenzar a comprender las patologías y qué tratamientos podrían desarrollarse», afirma el fundador y director de Blue Brain, el profesor Henry Markram. «La investigación de administración de fármacos estudia las interacciones entre fármacos y moléculas y cómo las moléculas interactúan entre sí en espacios restringidos. Este modelo de cerebro azul proporciona una base estructural para que los modelos biofísicos exploren la comunicación cruzada entre las neuronas, la glía y la vasculatura a una resolución que antes no era posible».
Del mismo modo, la investigación en enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer se dirige a los astrocitos reactivos, cuya morfología se transforma por completo con variaciones en su ramificación, superposición y proliferación en comparación con los cerebros sanos. En ambos casos, este enfoque basado en datos permite mejoras incrementales a medida que se dispone de más datos experimentales, se publican nuevos modelos biofísicos y surgen nuevas preguntas», resume.
Utilizar la reconstrucción de la estructura cimientos del NGV, el próximo paso para Blue Brain es simular los procesos metabólicos que ocurren dentro del conjunto del NGV, así como la modulación del flujo sanguíneo mediado por los componentes del NGV, todo lo cual estará disponible gratuitamente a través del portal Blue Brain NGV.
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Modelando la energía del cerebro Más información: Eleftherios Zisis et al, Digital Reconstruction of the Neuro-Glia-Vascular Architecture, Cerebral Cortex (2021). DOI: 10.1093/cercar/bhab254 Información de la revista: Cerebral Cortex
Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Cita: Una reconstrucción digital de la fuente de energía del cerebro (2021, 15 de noviembre) consultado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpr ess.com/news/2021-11-digital-reconstruction-brain-power-source.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.