Nuevas herramientas en proceso para investigar la neurogénesis humana adulta

ARRIBA: Marcar células madre hipocampales de ratones adultos que expresan el marcador proteico GFAP+ y la timidina quinasa permite a los investigadores destruir las células y observar el comportamiento de los animales cuando sus cerebros ya no sufren neurogénesis. FLICKR, JASON SNYDER

En marzo de 2018, los investigadores reportaron evidencia que sugiere que los humanos adultos no generan nuevas neuronas en el hipocampo, el epicentro cerebral del aprendizaje y la memoria. El resultado contradijo dos décadas de trabajo que decían que los adultos humanos en realidad desarrollan nuevas neuronas allí, y reveló la necesidad de nuevas y mejores herramientas para estudiar la neurogénesis, dijo a el presidente del Instituto Salk, Fred Gage, quien generó evidencia fundamental para la neurogénesis humana adulta. El científico en ese momento.

Ver estudio que no encuentra neurogénesis en hipocampos de humanos adultos

Desde que se publicó ese estudio, varios otros equipos han usado técnicas similares pero han llegado a conclusiones diferentes, publicando evidencia de que los humanos adultos sí desarrollan nuevas neuronas en el hipocampo, incluso a la edad de 99 años. A pesar de los resultados equívocos, Maura Boldrini, neurocientífica de la Universidad de Columbia, y varios otros neurocientíficos le dicen a The Scientist creen que la neurogénesis ocurre en el cerebro humano adulto, lo que refuerza el aprendizaje y la memoria y posiblemente también nuestro estrés y las respuestas emocionales.

La neurogénesis es fundamentalmente importante para que el cerebro reaccione a todo tipo de d diferentes insultos y prevenir problemas neurológicos y psiquiátricos, dice Boldrini. Debido a su papel en la función cerebral, los investigadores quieren aprender cómo funciona la neurogénesis para usarla potencialmente en el tratamiento de traumatismos cerebrales, neurodegeneración, trastornos psiquiátricos, como la depresión, y posiblemente incluso los efectos nocivos del envejecimiento.

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El crecimiento de nuevas neuronas está bien estudiado en animales recién nacidos y adultos, especialmente roedores. Hay una neurogénesis prolífica a medida que se desarrolla el cerebro, que luego cae y se estabiliza en la edad adulta, ocurriendo solo en áreas particulares del cerebro. Los exámenes de tejido humano post mortem sugieren que el proceso es similar en las personas, según los marcadores de anticuerpos que marcan los progenitores neurales y las neuronas jóvenes. Pero esas señales pueden ser difíciles de detectar en las células preservadas, y la brecha de tiempo entre la muerte de un donante y cuando su tejido se fija y analiza puede afectar la confiabilidad de los marcadores, dicen los científicos, lo que podría explicar las disparidades en los hallazgos entre diferentes estudios.

Para obtener una imagen fiable del alcance de la neurogénesis en adultos, los científicos están buscando una variedad de nuevas herramientas. Combinar las técnicas de detección directa, como la secuenciación del ARN, con técnicas indirectas, como la fMRI, dice Boldrini, indicará qué es realmente real en lo que respecta a la capacidad del cerebro humano para generar nuevas neuronas.

Sondeando el cerebro vivo

En un estudio reciente, Boldrini y sus colegas encontraron que la circunvolución dentada, una región del hipocampo donde ocurre la neurogénesis, es más grande en las personas que fueron más resistentes al estrés de la vida temprana. , como el abuso o la separación de sus padres. Tienen más células en la región, más neuronas y probablemente más neurogénesis, dice.

Por supuesto, señala Boldrini, el estudio tiene limitaciones. Ella y sus colegas estaban trabajando con tejido de cerebros de pacientes fallecidos, lo que trae consigo los desafíos de la preservación y las limitaciones del estudio de las células muertas. Los estudios en tejido post mortem han hecho que sea extremadamente difícil evaluar si los tratamientos, especialmente en los trastornos psiquiátricos, son efectivos, explica Boldrini. Es por eso que los colegas en su departamento y en otros laboratorios de todo el mundo han estado trabajando para desarrollar resonancia magnética funcional como una forma de rastrear los cambios neuronales que se correlacionan con la actividad de la red relacionada con la neurogénesis en pacientes vivos.

La neurogénesis es fundamentalmente importante para que el cerebro reaccione a todo tipo de agresiones diferentes y prevenga problemas neurológicos y psiquiátricos.

Maura Boldrini, Universidad de Columbia

Ella y sus colegas, por ejemplo, están rastreando cómo diferentes regiones del hipocampo en pacientes con depresión se conectan con otras regiones del cerebro antes y después del tratamiento antidepresivo. Sin embargo, las mediciones son indirectas, por lo que si el equipo ve una mayor conectividad, no puede concluir de inmediato que hay una mayor neurogénesis. Se puede decir que hay una mayor plasticidad, explica Boldrini, que podría formarse por el brote de dendritas o la formación de nuevas neuronas. Lo mismo ocurre si la región crece en volumen, lo que podría ser causado por un aumento de los capilares sanguíneos o, de nuevo, por el crecimiento de nuevas neuronas. Lo que está generando el cambio no se puede descifrar de los resultados, explica.

Estudios en roedores adultos han utilizado MRI para visualizar la migración de células madre neurales en el cerebro, pero es necesario etiquetarlas con Agentes de contraste de resonancia magnética que se inyectan directamente en las regiones neurogénicas, una técnica no adecuada para su uso en humanos.

La espectroscopia de resonancia magnética, sin embargo, no es invasiva y mide los cambios bioquímicos en el cuerpo y el cerebro. Los científicos dicen que creen que podría darles una pista sobre cómo funciona la neurogénesis en humanos vivos, si pudieran identificar un biomarcador específico para las células madre neurales o las células progenitoras neurales. En 2007, un equipo anunció que había identificado un biomarcador metabólico que podían detectar en animales vivos, y posiblemente en humanos vivos, para rastrear la neurogénesis in vivo. Eso sin duda sería muy atractivo para seguir cómo se ve afectada la extensión de la neurogénesis en un individuo a lo largo del tiempo o, por ejemplo, en respuesta a una enfermedad o medicación, escribe Jonas Frisn, biólogo molecular y científico de células madre del Instituto Karolinska en Suecia, en un artículo. correo electrónico a El científico. Sin embargo, dice, ese estudio ha sido difícil de reproducir y, lamentablemente, ese campo aún no ha despegado en absoluto.

Otra opción en proceso es la imagen PET, una técnica del equipo de Yosky Kataoka en RIKEN. Institute ha estado trabajando para identificar un nuevo crecimiento neuronal en personas vivas. Hace tres años, él y sus colegas informaron que rastrearon con éxito la proliferación de nuevas células en las regiones neurogénicas de los cerebros de ratas utilizando el trazador PET 3-desoxi-3-[18F]fluoro-l-timidina y un fármaco llamado probenecid. El fármaco es un tratamiento para la gota que parece mejorar la capacidad del marcador para cruzar la barrera hematoencefálica. El marcador y el fármaco juntos permitieron a los investigadores obtener imágenes de la circunvolución dentada y la zona subventricular, las dos regiones del cerebro de roedores adultos donde tiene lugar la neurogénesis, y visualizar cuantitativamente la actividad neurogénica en los animales. El equipo dice que ahora está probando la técnica en primates no humanos adultos, con la intención de usarla eventualmente en humanos.

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Con PET , el desafío es encontrar un marcador lo suficientemente pequeño como para que pueda inyectarse en la sangre, atravesar la barrera hematoencefálica y llegar al cerebro para unirse a alguna molécula específica que sea específica de las células madre, dice Boldrini. Todavía estamos tratando de encontrar marcadores que sean específicos de células madre.

Volver a los cerebros post mortem

Identificar tal especificidad requiere una investigación más profunda de células madre neurales. El cerebro tiene una tremenda heterogeneidad, muchos, muchos tipos de células diferentes. Y si no observa cada tipo de célula, no puede apreciar la complejidad y heterogeneidad del cerebro, dice Hongjun Song, neurocientífico de la Facultad de Medicina Perelman de la Universidad de Pensilvania. Incluso el mismo tipo de célula, señala, puede estar en diferentes estados, por lo que, por ejemplo, las células madre neurales pueden estar en un estado activo, proliferando rápidamente y convirtiéndose en nuevas neuronas, o en un estado inactivo, rara vez se dividen y cuando lo hacen, quedando como células madre. A pesar de sus distintas actividades, las células en estos diferentes estados aún pueden expresar las mismas proteínas marcadoras, lo que dificulta su diferenciación sin un análisis de una sola célula, como la secuenciación del ARN de una sola célula.

Una reconstrucción tridimensional de nueve milímetros cúbicos del hipocampo de ratón, una parte del cerebro involucrada en la memoria, perfilada con Slide-seq. Los diferentes tipos de células se muestran en rojo, verde y azul. Laboratorios Chen y Macosko, cortesía del Instituto Broad del MIT y Harvard

La pregunta que creo que todos estaban interesados en el cerebro humano es si realmente tenemos células con células madre ¿Propiedades celulares o neuronas inmaduras? Creo que probablemente haya menos debate sobre si tenemos esas células o no, dice Song. La pregunta es . . . ¿Son los mismos que en los roedores o son muy diferentes a los de los roedores? La secuenciación de una sola célula nos permitirá obtener ese tipo de visión imparcial.

Aislar células precursoras neuronales en el cerebro humano no es fácil. Es muy diferente a hacerlo en roedores, explica Song. En cerebros de animales, los investigadores pueden etiquetar las células madre neuronales cuando el roedor está vivo, y luego extraer y estudiar esas células con secuenciación de ARN, lo que él y sus colegas hicieron en 2015, revelando los transcriptomas de los tallos neurales y las células en las que maduran en el adulto. hipocampo de ratón. En humanos, sin embargo, los investigadores nuevamente tienen que trabajar con tejido cerebral post mortem y no pueden etiquetar las células mientras el paciente está vivo. En cambio, los científicos tienen que ir célula por célula en busca de progenitores neurales. El cerebro humano, agrega Song, es mucho más grande que el cerebro del ratón, por lo que las células son más escasas y están más separadas. Tienes que pasar por muchas, muchas células para encontrarlas en humanos, dice Song.

Su equipo y otros, incluidos Boldrinis y Frisns, han estado trabajando en la secuenciación de ARN en cerebros humanos post mortem durante varios años. y Boldrini dice que una nueva técnica desarrollada por científicos de la Universidad de Harvard y el MIT en marzo podría ayudar a clasificar las células nerviosas del hipocampo humano. Llamada Slide-seq, la técnica utiliza la secuenciación genética para dibujar mapas de tejido en 3D que identifican un tipo de célula, función y ubicación en muestras de tejido. Hasta ahora, solo se ha probado en tejido de ratón, pero puede resultar prometedor para el estudio de células madre neurales y neuronas recién creadas, dice Boldrini.

Ashley Yeager es editora asociada de  El científico. Envíele un correo electrónico a ayeager@the-scientist.com.