Los científicos han combinado análisis
genéticos, mapas anatómicos y estudios detallados de la actividad neuronal para
revelar los roles de las células cerebrales en el control del movimiento. El
cerebro del ratón contiene aproximadamente 80 millones de neuronas, todas
agrupadas en un espacio del tamaño de una avellana. Esas celdas vienen en una
gran variedad de formas y tamaños, y sus conexiones entre sí son de miles de
millones, al menos. El cerebro depende de este circuito para interpretar
información sobre el mundo, aprender de las experiencias y controlar los
movimientos. Las células nerviosas se entremezclan en este espacio reducido
para formar una red compleja, lo que dificulta que los científicos comprendan
qué células son responsables de qué tareas. Ahora, en dos artículos publicados
el 31 de octubre de 2018, en la revista Nature , los investigadores del Campus
de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes y el Instituto
Allen para la Ciencia del Cerebro han descubierto cómo dos tipos de células
nerviosas entremezcladas dividen el trabajo para planificar e iniciar
movimientos Al integrar los análisis célula por célula de las formas, la
actividad de los genes y la función de las neuronas, el equipo ha descubierto
qué células cerebrales son responsables de estos trabajos distintos pero
estrechamente relacionados. La combinación de análisis tan extensos representa
una gran hazaña técnica, dice el líder de Janelia Group Karel Svoboda. Es un
nuevo enfoque para entender la función cerebral, dice. El trabajo requirió
múltiples equipos de científicos en varios institutos que se unieron para
resolver un solo problema. Svoboda cree que este tipo de enfoque será necesario
para ayudar a los investigadores a resolver las cuestiones más complejas de la neurociencia.
"Los grandes avances en la investigación del cerebro dependerán cada vez
más de este tipo de colaboraciones", dice.
- Trazando nuevo territorio neural
En todo el mundo, los investigadores se han
embarcado en esfuerzos para construir mapas neuronales completos para descubrir
verdades sobre el cerebro. Los neurocientíficos están explorando las elaboradas
redes del cerebro desde muchos ángulos diferentes, registrando estructuras
celulares, características moleculares y actividades neuronales. La combinación
de esta información dispar para obtener información sobre la función cerebral
sigue siendo un desafío sobresaliente, dice Svoboda. En Janelia, un esfuerzo de
mapeo a largo plazo involucra anatomía neuronal. Los científicos en el equipo
del proyecto MouseLight han estado determinando la estructura precisa de las
neuronas en el cerebro del ratón, una tarea masiva que consiste en rastrear
minuciosamente las rutas nerviosas de las neuronas individuales a través de
miles de imágenes del cerebro. Los esfuerzos complementarios en el Instituto
Allen están registrando la expresión génica de las células, revelando
similitudes y diferencias clave entre las células y ofreciendo pistas sobre la
función celular. En el nuevo trabajo, los científicos de Janelia Mike Economo,
Sarada Viswanathan, Loren Looger, Svoboda y sus colegas se unieron a los
científicos del Instituto Allen para crear perfiles completos de expresión
génica de las células dentro del neocórtex del ratón. El neocórtex es la parte
más grande del cerebro de los mamíferos responsable de las funciones cognitivas
superiores. El equipo se centró en la corteza motora lateral anterior (ALM), un
área involucrada en la planificación y ejecución de movimientos. Los grupos del
Instituto Janelia y Allen han estado colaborando durante años, dice Svoboda. Su
laboratorio ha trabajado para describir cómo las neuronas ALM codifican la
información y los movimientos de control, y los científicos del Instituto Allen
utilizaron una nueva tecnología de secuenciación de ARN de una sola célula para
analizar la composición molecular de las neuronas ALM individuales. Bosiljka
Tasic, Hongkui Zeng y sus colegas del Instituto Allen determinaron el conjunto
completo de moléculas de ARN, el transcriptoma, presente en cada una de las
23,822 neuronas del neocórtex. Esto generó una imagen completa de qué genes se
activaron en cada célula: aproximadamente 9,000 genes por célula, en promedio.
Dentro del vasto conjunto de datos, los investigadores identificaron más de 130
grupos de células que compartían transcriptomas.
- Definición de roles
A continuación, el equipo correlacionó sus
hallazgos moleculares con la información estructural obtenida a través del
proyecto MouseLight de Janelia. Los científicos se centraron en las neuronas
grandes en el ALM que llevan la información fuera de la corteza. Dentro de este
subconjunto de neuronas, dos grupos de células definidas por sus transcriptomas
también compartían características anatómicas. Sus caminos a otras partes del
cerebro son distintos, descubrió el equipo. Un conjunto se conecta al tronco
cerebral, donde residen las neuronas motoras que dirigen al cuerpo a realizar
acciones. El segundo conjunto se conecta con el tálamo, una especie de
centralita central en el cerebro. En conjunto, estas células ya han recibido
atención de los neurocientíficos porque son particularmente vulnerables a la
enfermedad neurodegenerativa. "Pero realmente no se ha apreciado que estas
neuronas vienen en sabores discretos y podrían desempeñar diferentes roles",
dice Economo, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Svoboda. Para
separar esos roles, Economo se dirigió a cada clase de células individualmente,
manipulando y midiendo la actividad mientras los ratones realizaban una tarea
simple: moverse en una dirección particular en un momento determinado. Un grupo
de neuronas, las que conectan el ALM con el tálamo, son cruciales para la
planificación de movimientos futuros, revelaron los experimentos. El otro
conjunto de neuronas, aquellas que conectan la ALM con el tronco cerebral, se
requieren para iniciar el movimiento. En pocas palabras, los dos tipos de
neuronas se dividen en dos clases y tienen comportamientos distintos, dice
Svoboda. "Estos tipos de células llevan diferentes mensajes a diferentes
regiones del cerebro para producir diferentes funciones". Al reunir
múltiples flujos de datos, dice, el equipo pudo aportar claridad a una cuestión
de circuito complejo. "Los científicos siempre pueden encontrar maneras de
dividir las células en grupos", agrega Tasic, pero en este caso, los
grupos ofrecen una imagen clara del papel de cada tipo de célula en la
configuración del movimiento. Es un paso clave para distinguir la complejidad
de la corteza. Dice Svoboda que aún no se han explorado las funciones de más de
100 tipos de células definidas molecularmente en el córtex visual y la ALM
sola, los científicos tienen mucha complejidad por desentrañar. Pero, agrega,
con la aceleración de los nuevos instrumentos de investigación en desarrollo y
los esfuerzos de mapeo a gran escala, este tipo de decodificación neuronal
pronto podría estar aumentando.
Comentarios