Construcción de un cerebro: un estudio pionero revela los principios de la estructura del tejido cerebral, ensamblaje
Detección computacional de un árbol jerárquico de organización de neuritas en el neuropilo de C. elegans. Crédito: Mark Moyle et al, Nature 2021.
Comprender cómo funciona el cerebro es un objetivo primordial de la ciencia médica. Pero con sus miles de millones de neuronas estrechamente empaquetadas y entremezcladas, el cerebro humano es abrumadoramente difícil de visualizar y mapear, lo que puede proporcionar el camino hacia terapias para trastornos intratables durante mucho tiempo.
En un importante avance que se publicará la próxima semana en Nature, los científicos informan por primera vez sobre la estructura de un tipo fundamental de organización tisular en el cerebro, llamado neuropilo, así como las vías de desarrollo que conducen al ensamblaje del neuropilo en el gusano redondo C. elegante. Este estudio multidisciplinario fue una colaboración entre cinco laboratorios, incluidos científicos del Laboratorio de Biología Marina (MBL), Woods Hole, que acogió gran parte de la colaboración.
«Neuropil es una organización a nivel de tejido que se observa en muchos tipos de cerebros, desde gusanos hasta humanos», dice el autor principal y miembro del MBL, Daniel Coln-Ramos, de la Facultad de Medicina de Yale. «Cuando las cosas están tan conservadas en la naturaleza, son importantes».
«Pero tratar de comprender la estructura y la función del neuropilo es un gran desafío. Es como mirar un tazón de espagueti», dice Coln-Ramos. «Cientos de neuronas están una encima de la otra, tocándose, haciendo miles de elecciones mientras se entremezclan a través de diferentes secciones del cerebro del animal. ¿Cómo puedes describir la organización del neuropilo de una manera que sea comprensible? Esa es una de las contribuciones de este papel».
Los autores se centraron en el neuropilo del anillo nervioso de C. elegans, un conjunto enredado de 181 neuronas que sirve como unidad central de procesamiento del gusano. A través de una combinación innovadora de análisis de redes y estrategias de imágenes, revelaron que el anillo nervioso está organizado en cuatro capas o estratos. Estos estratos, mostraron, contienen distintos dominios para procesar información sensorial y comportamientos motores. Pudieron mapear los órganos sensoriales y los cuadrantes musculares del gusano en los estratos relevantes.
El equipo también descubrió neuronas únicas que integran información a través de los estratos y construyen una especie de «jaula» alrededor de las capas. Finalmente, mostraron cómo emerge la estructura en capas del neuropilo en el embrión de gusano en desarrollo, utilizando microscopía de hoja de luz de alta resolución desarrollada por el miembro de MBL Hari Shroff del Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería, y el investigador de MBL Abhishek Kumar.
«Este es un cambio de paradigma en el que combinamos dos campos, la biología computacional y la biología del desarrollo, que no suelen ir de la mano», dice el primer autor Mark Moyle, científico investigador asociado en neurociencia en la Facultad de Medicina de Yale. «Demostramos que mediante el uso de enfoques computacionales, podíamos comprender la estructura del neuropilo, y luego podíamos usar ese conocimiento para identificar los procesos de desarrollo que conducen al ensamblaje correcto de esa estructura».
Este enfoque puede servir como un modelo para comprender la organización del neuropilo en otros cerebros animales, afirman los autores.
Reconstrucción volumétrica del neuropilo L4 C. elegans (de secciones en serie EM) con neuronas de los cuatro estratos resaltados (S1-Rojo, S2-Púrpura, S3-Azul, S4-Verde). Crédito: Mark Moyle et al., Nature, 2021.
De edificios a distritos a la ciudad de Nueva York
C. elegans tiene el sistema nervioso mejor entendido de todos los animales. Hace más de 30 años, John White, Sydney Brenner y sus colegas publicaron el «conectoma» del gusano, un diagrama de cableado de sus 302 neuronas y las aproximadamente 7000 conexiones sinápticas entre ellas. Desde ese estudio pionero, casi todas las neuronas en C. elegans han sido caracterizadas: su forma, categoría funcional, los circuitos neuronales en los que participa y su linaje de células de desarrollo.
Lo que faltaba, sin embargo, era un imagen de cómo estas células y circuitos se integran en el espacio y con el tiempo.
Coln-Ramos y su equipo analizaron datos publicados sobre todos los contactos de membrana entre las 181 neuronas en el anillo nervioso. Luego aplicaron nuevos análisis de red para agrupar celdas en «vecindarios» en función de sus perfiles de contacto, algo similar en principio a los algoritmos que usa Facebook para sugerir amigos en función de los contactos comunes de las personas. Esto reveló la estructura en capas del neuropilo y permitió al equipo comprender las interacciones célula-célula en el contexto de los circuitos funcionales y los circuitos funcionales en el contexto de la estructura del neuropilo de orden superior (ver video 1).
«Todos de repente, cuando ves la arquitectura, te das cuenta de que todo este conocimiento que había sobre los comportamientos de los animales tiene un hogar en la estructura del cerebro», dice Coln-Ramos.
«Por analogía , en lugar de solo conocer el East Side de Nueva York y el West Side, Brooklyn y Queens, de repente ves cómo encaja la ciudad y entiendes las relaciones entre los barrios».
«Así que ahora pudimos ver, ‘OK, esta es la razón por la que estos comportamientos son como reflejos, porque son circuitos directos que van a los músculos. Y así es como se integran con otras partes del programa motor’. Tener la estructura le permite generar nuevos modelos sobre cómo se procesa y distribuye la información para generar comportamientos», dice Coln-Ramos.
Lapso de tiempo de la dinámica de crecimiento del anillo nervioso de C. elegans seguido de un Rotación 3D del último punto de tiempo para resaltar el neuropilo, que es la estructura de anillo brillante en la parte anterior del embrión (arriba). El embrión se contrae durante el desarrollo posterior. La intensidad del neuropilo aumenta con el tiempo, probablemente debido a un aumento en el número de neuronas que ingresan al neuropilo. Las imágenes son proyecciones diSPIM de máxima intensidad desconvolucionadas. Crédito: Mark Moyle et al, Nature, 2021
Reconstrucción del nacimiento y desarrollo del anillo nervioso
El cerebro es un producto del desarrollo, que comienza con una división celular embrionaria y termina con un órgano completo. «Un orden emerge a través del tiempo. Así que nuestra siguiente pregunta fue, ¿cómo se puede instruir la formación de una estructura en capas? ¿Cómo todas estas decisiones ocurren simultáneamente en cientos de células, pero dan como resultado capas organizadas? ¿Cómo se coordinan las decisiones a través del tiempo y ¿espacio?» Coln-Ramos dice.
«Las estructuras en capas son una unidad fundamental de la organización del cerebro: la retina es una capa y la corteza es una capa. Si pudiéramos entenderlo para el gusano, nos permitiría crear modelos eso podría ayudarnos a comprender el desarrollo de capas en otros órganos vertebrados, como el ojo», dice Coln-Ramos.
Esta parte de la investigación comenzó en 2014 cuando Coln-Ramos y Moyle comenzaron a colaborar con los desarrolladores de microscopios. Shroff y Kumar en la MBL. «Comenzamos construyendo un microscopio (el diSPIM) que nos permitía observar el embrión con mejor resolución espacial y temporal que las herramientas de la época», dice Shroff.
Luego identificaron cada célula en el C elegans utilizando enfoques de linaje desarrollados por el coautor Zhirong Bao del Instituto Sloan Kettering (estos hallazgos están catalogados en WormGUIDES.org). «Este fue un proceso doloroso, pero muy importante», dice Shroff.
Después de años de compartir un laboratorio en el MBL, numerosos ajustes al sistema diSPIM, integraciones con otra tecnología de importancia crítica y mucho de frustración, los colaboradores lograron resolver la secuencia de desarrollo del neuropilo de C. elegans y revelar los principios que guían su organización estratificada (ver video 2).
«Esto hubiera sido imposible sin el largo plazo, imágenes suaves del diSPIM», dice Coln-Ramos. «Durante el desarrollo de la tecnología, muchos cambios parecían graduales, pero de hecho fueron muy útiles, permitiéndonos hacer algo que no podíamos hacer antes. A menudo, los cambios que necesitábamos se encontraban entre dos disciplinas con diferentes vocabularios, y requerían un trabajo prolongado, centrado y exhaustivo. conversaciones para identificarlos. Eso es lo que permitió nuestra colaboración en el MBL».
Explore más
¿Puede un minúsculo gusano tener el secreto para revertir genéticamente el daño cerebral? Más información: Principios estructurales y de desarrollo del ensamblaje del neuropilo en C. elegans, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-020-03169-5 , dx.doi.org/10.1038/s41586-020-03169-5 Información del diario: Nature
Proporcionado por Marine Biological Laboratory Cita: Construyendo un cerebro: un estudio pionero revela los principios de la estructura del tejido cerebral, ensamblaje (24 de febrero de 2021) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-02-scientists-capture-choreography -brain.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.