Científicos presentan un atlas detallado de la corteza motora primaria de los mamíferos
La Red del Censo Celular de la Iniciativa BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies) de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de Estados Unidos ha presentado un atlas de tipos celulares y un diagrama anatómico del cableado neuronal de la corteza motora primaria de los mamíferos, derivados de estudios detallados en ratones, monos y humanos. Los resultados aparecen en 17 artículos asociados publicados en un número especial de la revista 'Nature'.
Este recurso disponible al público representa la culminación de un esfuerzo de colaboración internacional de más de 250 científicos de más de 45 instituciones de tres continentes. El atlas proporciona una base para un estudio más profundo de los tipos de células en el resto del cerebro de los mamíferos y puede ayudar a los científicos a trasladar a los humanos las investigaciones realizadas en modelos animales.
"Gracias a esta innovadora colaboración, ahora tenemos un conocimiento exhaustivo de las células cerebrales que se encuentran en la corteza motora del cerebro y de sus propiedades funcionales básicas --destaca el director de los NIH, el doctor Francis S. Collins--. El atlas proporcionará un trampolín para futuras investigaciones sobre la estructura y la función del cerebro dentro y entre especies".
El cerebro humano es un órgano increíblemente complejo, compuesto por unos cien mil millones de neuronas y un número aproximadamente equivalente de células no neuronales y billones de conexiones neuronales.
Aunque todos los seres humanos comparten la misma estructura cerebral general, una serie de factores ambientales y genéticos determinan el desarrollo y el funcionamiento de nuestros cerebros. En otras palabras, el cerebro de cada persona refleja sus antecedentes y experiencias vitales únicas. Para entender lo que nos hace humanos es fundamental conocer todos los tipos de células que componen el cerebro, sus características y cómo difieren de un individuo a otro.
Y lo que es más importante, comprender los factores que intervienen en el desarrollo de la estructura y la función del cerebro es un paso esencial para saber cómo se desarrollan enfermedades como la esquizofrenia, la adicción, los trastornos convulsivos y la enfermedad de Alzheimer.
"Hay una necesidad urgente de desarrollar terapias para los trastornos cerebrales. La investigación llevada a cabo en el marco del BICCN proporcionará a los científicos herramientas que permitirán dirigir con precisión los tipos de células y las redes neuronales mediante una terapia genómica para los trastornos que afectan al pensamiento, la memoria, el estado de ánimo y el movimiento", afirma el doctor Walter Koroshetz, director del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares.
Los avances científicos de los últimos 10 años han permitido a los investigadores ir más allá del análisis de las características físicas de las células cerebrales para investigar las características moleculares que subyacen a la función celular.
Los investigadores pueden ahora examinar el transcriptoma (el conjunto completo de lecturas genéticas de una célula, que contiene instrucciones para fabricar proteínas y otros productos celulares) y el epigenoma de una célula (el conjunto de modificaciones químicas del ADN de la célula, que altera la forma en que se expresa la información genética de la célula).
Las innovaciones técnicas se han ampliado hasta permitir el análisis rápido y rentable de decenas de millones de células individuales en un esfuerzo por comprender mejor los componentes básicos del cerebro.
Estos avances científicos ofrecen a los investigadores la oportunidad de comprender la estructura y la función del cerebro con un nivel de detalle sin precedentes. En 2017, el BICCN reunió a equipos de investigadores en un esfuerzo coordinado para desarrollar una referencia completa de los tipos de células en el cerebro humano, el cerebro de mono y el cerebro de ratón.
Los investigadores del BICCN se propusieron catalogar y cartografiar las diferentes células del cerebro de los mamíferos de forma similar a un censo de población, en el que los censistas registran las características demográficas y geográficas de los individuos. Se centraron en el córtex motor primario, una zona del cerebro que interviene en el control de los movimientos complejos y que se sabe que es similar en todas las especies de mamíferos.
En la actual serie de estudios, los investigadores utilizaron una batería de mediciones del transcriptoma y el epigenoma de una sola célula, obtenidas de millones de células de la corteza motora, para crear un marco de tipos de células cerebrales basado en datos de distintas especies.
Los investigadores caracterizaron los tipos de células cerebrales que encontraron mediante una combinación de enfoques electrofisiológicos, morfológicos y de trazado de circuitos. También utilizaron datos del transcriptoma de una sola célula y del análisis del epigenoma para identificar marcadores genéticos únicos que definen los numerosos tipos de células diferentes que se encuentran en la corteza motora primaria.
Resaltan que este trabajo es más que un compendio de tipos celulares, ya que también identifica herramientas genéticas que permiten a los investigadores controlar y modular con precisión la actividad neuronal de tipos celulares específicos.
Los investigadores identificaron tipos celulares similares en ratones, monos y humanos, pero también importantes diferencias en la expresión de los genes que pueden ser responsables de las variaciones en la forma en que estas tres especies procesan la información neuronal.
"A través de una impresionante integración de datos procedentes de múltiples técnicas de vanguardia, el BICCN ha creado una referencia exhaustiva que cataloga y caracteriza los numerosos tipos de células que se encuentran en la corteza motora primaria de los mamíferos, describiendo sus proporciones, distribuciones espaciales, características anatómicas y fisiológicas y perfiles genéticos moleculares", señala el doctor Joshua Gordon, director del Instituto Nacional de Salud Mental, quien destaca que este trabajo representa "un paso crucial que mejorará drásticamente el ritmo de los avances en la comprensión del cerebro".
Estos resultados iniciales sientan las bases para futuras investigaciones que profundicen en la estructura y función de las células del cerebro de los mamíferos. Estos estudios pueden incluir esfuerzos para comprender cómo madura y se desarrolla el cerebro, así como la investigación que examina las funciones que los distintos tipos de células desempeñan en la creación del pensamiento y el comportamiento complejos.
"Este importante trabajo no podría haberse llevado a cabo sin las numerosas mentes, instituciones y organizaciones que se han unido para resolver un problema muy complejo --destaca la doctora Andrea Beckel-Mitchener, subdirectora de la Iniciativa BRAIN de los NIH--. Estos estudios son un ejemplo de cómo la colaboración puede fomentar la ciencia y poner en marcha los esfuerzos futuros que revolucionarán nuestra capacidad de estudiar la función cerebral y los trastornos cerebrales".
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