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Decodificando cómo los circuitos cerebrales controlan el comportamiento


Los científicos han combinado análisis genéticos, mapas anatómicos y estudios detallados de la actividad neuronal para revelar el rol 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, como mínimo.

El cerebro depende de estos circuitos 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 Janelia Research Campus 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 neuronales, la actividad de los genes y la función de las neuronas, el equipo ha descubierto cuales son las células cerebrales responsables de estas funciones distintas, pero estrechamente relacionadas.

La combinación de análisis tan extensos representa una gran hazaña técnica, dice Karel Svoboda, líder del grupo en Janelia. Es un nuevo enfoque para entender la función cerebral, asegura. 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 un nuevo territorio neural

En todo el mundo, los investigadores se han embarcado en esfuerzos para construir mapas neuronales completos para descubrir nuevos conocimientos 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 incompleta para obtener nueva 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, 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 de la Corteza Motora Lateral Anterior 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 individuales de la Corteza Motora Lateral Anterior.

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 de la región neocórtex. Esto generó una imagen completa que muestra cuáles 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 la Corteza Motora Lateral Anterior 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. El equipo descubrió que sus caminos a otras partes del cerebro son distintos. Un conjunto se conecta al tronco cerebral, donde residen las neuronas motoras que dirigen al cuerpo para realizar acciones. El segundo conjunto se conecta con el tálamo, una especie de mando central en el cerebro.

En conjunto, estas células ya han recibido atención de los neurocientíficos porque son particularmente vulnerables a enfermedades neurodegenerativas. "Pero realmente no se ha apreciado que estas neuronas vienen en sabores distintos y podrían desempeñar diferentes roles", dice Economo, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Svoboda.

Para separar esos roles, Economo se enfocó en cada clase de células de manera individual, manipulando y midiendo la actividad mientras los ratones realizaban una tarea simple: moverse en una dirección particular en un momento determinado. Los experimentos revelaron que un grupo de neuronas, las que conectan la Corteza Motora Lateral Anterior con el tálamo, son cruciales para la planificación de movimientos futuros. El otro conjunto de neuronas, aquellas que conectan la Corteza Motora Lateral Anterior con el tronco cerebral, son necesarias 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 circuitos complejos.

"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.

Svoboda dice que solo en la córtex visual primaria y la Corteza Motora Lateral Anterior, aún no se han explorado las funciones de más de 100 tipos de células definidas molecularmente, por lo que 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 incrementarse.

Referencia del documento científico:
Bosiljka Tasic et al. Tipos de células transcriptómicas compartidas y distintas en áreas neocorticales. Nature, volumen 563, páginas 72–78 (2018); doi: 10.1038 / s41586-018-0654-5

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