Descubrir las incógnitas que esconde el cerebro continúa siendo uno de los objetivos de la neurociencia. Saber cómo de diferentes son los cerebros de las personas a nivel celular, qué nos diferencia de los primates, cuántos tipos de células cerebrales tenemos y cuáles son sus propiedades o, incluso, cómo emergen y maduran, son algunas de las preguntas que sobrevuelan las mentes de los investigadores. Para abordarlas, un consorcio de científicos ha compartido nuevos conocimientos a través de 21 nuevos artículos. Este ha sido un gran salto con respecto a trabajos publicados anteriormente, dado que revelan nuevos conocimientos sobre la composición celular de nuestro sistema nervioso en muchas regiones del cerebro, además de profundizar en lo que es distintivo del cerebro humano.
El consorcio de investigación es un esfuerzo concertado para comprender el cerebro humano y su naturaleza modular y funcional. Fue elaborado y financiado por la Iniciativa de Investigación del Cerebro a través del Avance de Neurotecnologías Innovadoras (BRAIN) de los Institutos Nacionales de Salud (NIH). Cientos de científicos de todo el mundo trabajaron juntos para completar una serie de estudios que exploran la composición celular del cerebro humano y de otros primates. Además quisieron demostrar cómo se puede utilizar un nuevo conjunto transformador de técnicas escalables para estudiar la organización detallada del cerebro humano con una resolución sin precedentes.
«Teniendo en cuenta los neurotransmisores y las sinapsis, tenemos más de 3.000 células diferentes en el cerebro»
Jesús Porta, vicepresidente de la Sociedad Española de Neurología (SEN).
Los datos recopilados hasta ahora permitirán a los investigadores abordar cuestiones científicas fundamentales sobre el cerebro humano y su organización genética. Jesús Porta, vicepresidente de la Sociedad Española de Neurología (SEN), indica en una entrevista a Gaceta Médica que los estudios actuales para el conocimiento del cerebro se basan uno en función y otro en análisis de las estructuras.
“Hemos visto que, desde el punto de vista funcional, hay más células diferenciadas en el cerebro de lo que pensábamos previamente. Teniendo en cuenta los neurotransmisores y las sinapsis, tenemos más de 3.000 células diferentes en el cerebro. Esto nos abre un mundo de complejidad. En contra de lo que pensábamos, cuando se ha analizado un trocito muy pequeño del cerebro, ha sido tan extremadamente complejo que el conocimiento de la función real del cerebro va a ser mucho mayor de lo que nosotros pensábamos inicialmente». Además, recalca que este tipo de hallazgos está abriendo un nuevo campo a la investigación cerebral y a entender el órgano de una forma distinta.
Atlas celulares en 3D
Nuestro cerebro está compuesto por 86 mil millones de neuronas y un número similar de células no neuronales. Motivo de ello, se espera poder generar atlas completos de células cerebrales de referencia común en 3D que integrarán datos moleculares, anatómicos y funcionales para describir tipos de células en cerebros de ratones, humanos y primates no humanos. «La complejidad del cerebro humano es inmensa, tiene muchos niveles. Por eso mismo, tenemos que seguir investigando porque es la base de todos los avances científicos en los tratamientos de las enfermedades neurológicas», indica el vicepresidente de la SEN. «Es increíble el cambio que hemos sufrido en los últimos 20 años, estamos viviendo una absoluta revolución en el tratamiento de estas enfermedades y en el conocimiento del cerebro, aunque nos queda mucho, y eso es gracias a la investigación», añade.
Los recientes avances tecnológicos en análisis de alto rendimiento de mediciones moleculares, anatómicas y fisiológicas a nivel de una sola célula prometen abrir una nueva era que exige un censo unificado de células cerebrales. «Es un momento crucial en la neurociencia, donde las nuevas tecnologías ahora nos permiten comprender la organización celular muy detallada del cerebro humano y de otros cerebros de primates», señala Ed Lein, Ph.D., investigador principal del Allen Institute for Brain Science, quien dirigió varios de los estudios recientemente publicados. “En esencia, este trabajo es un triunfo de la biología molecular: el uso diferencial de genes puede usarse para definir tipos de células y las herramientas de la genómica podrían usarse para crear los primeros borradores de mapas anotados de alta resolución de las células que componen todo el cerebro humano.
El cerebro: un órgano tremendamente complejo
Según indica Porta, para estudiar el cerebro se puede hacer analizando en profundidad el órgano directamente o imitándolo. Los niveles cerebrales tienen una alta complejidad, al igual que su funcionamiento. En este último aspecto, se puede intentar simular desde un punto de vista informático. «La Inteligencia Artificial (IA) puede simular el funcionamiento de algunas estructuras parciales del cerebro, sobre todo el deep learning, pero las nuevas tecnologías lo que nos están enseñando es la plasticidad del propio órgano«, asegura.
Comprender nuestro cerebro a nivel celular es clave para comprender cómo funciona y quiénes somos como especie, así como para identificar con mayor precisión las raíces celulares de las enfermedades y trastornos cerebrales, conocimiento que, en última instancia, podría conducir a mejores tratamientos para esas enfermedades. «A día de hoy, el cerebro humano es la estructura más compleja de todo el universo conocido. Es lo suficientemente complejo como para poder estudiarse, pero también lo suficientemente complejo como para no entenderse», recalca Porta.
El portavoz de la SEN también hace hincapié en la necesidad de que se aumente la inversión en este tipo de proyectos ligados a la investigación del cerebro. De hecho, recalca que los avances actuales son fruto, en parte, de la gran inversión que se hizo en EE.UU. entre 1990 y el año 2000, donde se asentaron las bases de toda la investigación actual. «En un país como el nuestro deberíamos invertir muchísimo más en la investigación en neurociencia. Es la única manera de avanzar en el conocimiento del cerebro y en el tratamiento de las enfermedades neurológicas», reivindica.
Una complejidad y variedad nunca descrita
Partiendo de trabajos anteriores que mapean tipos de células cerebrales en alta resolución en regiones individuales de la corteza humana, el paquete recientemente publicado amplía esos estudios a docenas y hasta cien regiones en todo el cerebro. Mientras que los estudios de una sola región encontraron más de 100 tipos diferentes de células cerebrales, los datos recientemente publicados muestran miles de tipos diferentes de células cerebrales en todo el cerebro. Para muchas partes del cerebro, esa complejidad y variedad nunca antes se habían descrito.
Este conjunto de trabajos demuestra la escalabilidad de enfoques celulares y moleculares de vanguardia para abordar los desafíos del tamaño y la complejidad del cerebro humano y ha sentado las bases para la siguiente fase de este esfuerzo de censo celular. Esta próxima fase, parte de la cual está en marcha en el Instituto Allen, construirá atlas mucho más completos de cerebros humanos y de otros primates a través de la Red Atlas Celular de la Iniciativa BRAIN.
«Es un logro histórico que ilumina la complejidad del cerebro humano a nivel celular»
John Ngai, director de la Iniciativa BRAIN de los NIH.
«El actual conjunto de estudios representa un logro histórico que continúa construyendo un puente importante para iluminar la complejidad del cerebro humano a nivel celular», señala John Ngai, director de la Iniciativa BRAIN de los NIH. “Las colaboraciones científicas forjadas están impulsando el campo hacia adelante a un ritmo exponencial; el progreso y las posibilidades han sido simplemente impresionantes”, incide.
Contribución del Instituto Allen
De entre los 21 nuevos artículos publicados, hay cinco que han sido dirigidos por el Instituto Allen. En ellos se ha arrojado luz sobre la variabilidad celular humana; las diferencias presentes entre humanos, chimpancés y gorilas; la diversidad de las células en las diferentes regiones de la corteza humana o las propiedades de las neuronas inhibidoras del neocórtex humano.
- Exploración de la variabilidad en los tipos de células cerebrales entre personas individuales. En este estudio, los científicos observaron las células cerebrales según los niveles de genes que activan en una región de la corteza, la circunvolución temporal media, en 75 donantes adultos diferentes. Este fue uno de los primeros estudios del cerebro humano en comparar un gran número de personas individuales utilizando técnicas unicelulares. Los investigadores descubrieron que, si bien todos tenemos la misma lista de partes celulares básicas, las proporciones de ciertos tipos de células y los genes activados en esas células varían sustancialmente de persona a persona.
- Comparación de los tipos de células cerebrales entre los humanos y nuestros parientes simios más cercanos, los chimpancés y los gorilas. Estos estudios revelan que compartimos la misma arquitectura básica de tipos de células cerebrales con nuestros primos evolutivos cercanos, pero que existen cambios en los genes utilizados por esos tipos de células conservadas. En concreto, muchos genes implicados en las conexiones entre neuronas y la formación de circuitos en el cerebro son diferentes entre los humanos y otros primates. «Eso crea una explicación plausible de cómo se podría aumentar la capacidad cognitiva a través de la evolución, conectando circuitos del mismo tipo de células o cambiando la ganancia en el sistema de maneras ligeramente diferentes», afirma Lein.
- Comparación de las células que forman diferentes regiones de la corteza humana, que es la sede de muchas de nuestras funciones cognitivas de orden superior. Ese estudio analizó la variedad de tipos de células en diferentes regiones de la corteza y encontró que nuestra corteza visual, donde procesamos lo que vemos, es mucho más especializada y distinta que otras regiones, y más especializada que la corteza visual del ratón. Ese hallazgo probablemente se relaciona con el hecho de que los humanos y otros primates dependemos de nuestro sentido de la vista más que muchos otros mamíferos.
- Dos estudios analizan las propiedades de las neuronas inhibidoras del neocórtex humano explorando sus propiedades eléctricas y sus complejas formas tridimensionales, además de los genes que activan, un enfoque que requiere el uso de tejidos vivos obtenidos mediante procedimientos neuroquirúrgicos para tratar la epilepsia intratable o los tumores cerebrales. Estos estudios proporcionan información esencial sobre las características de las neuronas humanas, incluidos varios tipos que se encuentran en humanos y algunos otros mamíferos, pero no en ratones, incluidas las denominadas descriptivamente células de rosa mosqueta y células de doble ramo.
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