Nuevo atlas de partes del cerebro para identificar planes y acciones
Si se topó con una radio o una computadora pero no sabe cómo funciona, probablemente se esté preguntando primero de qué está hecha, cuáles son sus componentes. Su próximo paso podría ser determinar qué hace realmente cada componente, prestando atención a qué partes están conectadas a otras partes.
Este es el enfoque para comprender el cerebro utilizado en dos estudios relacionados publicados el 31 de octubre naturalezaEl primero en utilizar las diferencias en la actividad de los genes para identificar diferentes tipos de células en el cerebro del ratón, encontrando más tipos distintos que los conocidos anteriormente. El segundo analizó más de cerca algunos de los tipos de células identificados, tratando de descubrir sus funciones, mostrando que desempeñan dos funciones distintas en el control del movimiento.
El primer estudio, dirigido por el genetista molecular Bosiljka Tasic del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, se propuso clasificar diferentes tipos de células cerebrales en dos partes de la corteza del ratón, las capas externas del cerebro responsables de las funciones cognitivas superiores. Los investigadores eligieron dos regiones distantes: la corteza visual primaria, la primera parada para procesar la información visual del ojo, y la parte de la corteza motora (corteza motora anterolateral o ALM) que está involucrada en el movimiento. Analizaron 23.822 células utilizando una técnica que les permitió determinar cuáles de los más de 45.000 genes posibles estaban realmente activos en una sola célula. Luego agruparon células con actividad genética similar para identificar 133 tipos de células diferentes. «Esta es nuestra descripción más completa de la composición cortical hasta la fecha», dijo Tasic.
Los tipos de células se dividen en dos grandes categorías: un tipo, llamado neuronas inhibidoras, utiliza el mensajero químico GABA para comunicarse e inhibir la actividad de otras células cercanas. Otro tipo, las neuronas excitatorias, utilizan el químico glutamato, que actúa como la célula principal del cerebro para generar actividad neuronal. Un hallazgo clave del estudio fue que los diferentes tipos de neuronas inhibitorias (el equipo identificó 61 subtipos inhibitorios) se compartían casi en su totalidad entre las dos regiones estudiadas. Por el contrario, de los 56 subtipos excitatorios, 51 eran exclusivos de la región en la que se encontraron. (También se encontraron 16 tipos de células no neuronales) [diversity] neuronas corticales excitatorias «, dijo Tomasz Nowakowski, neurobiólogo de la Universidad de California, San Francisco, quien fue coautor de un comentario adjunto pero no participó en el estudio. «Durante mucho tiempo se pensó que estos se parecen. Tasic y sus colegas muestran que esto está lejos de la verdad. «
A continuación, el equipo utilizó marcadores fluorescentes para rastrear las conexiones de más de 2000 células a regiones cerebrales distantes. «Las neuronas inhibitorias tienen conexiones locales que modulan lo que sucede en el área donde trabajan», dijo Tasic, «mientras que la mayoría de las neuronas excitatorias se proyectan a lugares distantes, posiblemente a otras áreas corticales o no corticales». La conectividad de rango también tenía perfiles distintos de actividad genética, lo que confirma aún más que las clases que identificaron eran tipos de células distintas que pueden desempeñar funciones distintas en la función cerebral.
El segundo estudio, dirigido por el neurocientífico Michael Economo del Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Virginia, se centró en varios de los subtipos identificados en el primer estudio para tratar de comprender su función. Tasic y sus colegas identificaron tres subtipos en capas específicas de ALM que contienen neuronas «piramidales» excitatorias. «Estamos realmente interesados en estos», dijo Economo. «Porque son las principales neuronas de salida de la corteza motora, que la conectan con otros centros motores importantes responsables de iniciar y ejecutar movimientos». (Las neuronas del tracto piramidal también se degeneran en algunas enfermedades de las neuronas motoras, como la ELA). la información que transmiten estas células y los circuitos en los que participan pueden ayudar a los investigadores a comprender mejor qué es lo que está fallando).
Economo y sus colegas encontraron que dos de estos subtipos están conectados al tálamo, una región central que se conecta con la corteza, formando un anillo. Otro subtipo se conecta a la médula, una región del tronco encefálico que contiene neuronas que activan los músculos y coordinan los movimientos. Este arreglo encaja bien con el trabajo previo que muestra que existe una distinción entre las neuronas involucradas en comunicar la preparación para el movimiento («planificación») y aquellas involucradas en iniciar y controlar el movimiento. «Muchos movimientos rápidos, voluntarios y flexibles requieren un tiempo de preparación antes de que puedan realizarse», dijo Economo. «Esto permite que los animales se muevan más rápido y con mayor precisión una vez que comienzan».
Habiendo construido este circuito, Economo y sus colegas realizaron experimentos en ratones para determinar qué hacen realmente las neuronas. Entrenaron a los ratones para que respondieran a sus bigotes pinchando en uno de dos lugares bebiendo del pico izquierdo o derecho. Mientras los ratones realizaban esta tarea, los investigadores registraron la actividad de las células en el ALM utilizando electrodos largos y flexibles. Los investigadores etiquetaron sus neuronas de interés usando optogenética (una técnica que hace que las células sean sensibles a la luz para que puedan identificarse fácilmente al iluminarlas). Luego pudieron observar la actividad de las células durante las tareas motoras para estudiar su papel en el movimiento. Los resultados mostraron que algunas células conectadas a la médula estaban muy activas al comienzo del ejercicio, mientras que otras se activaron a la mitad o al final del ejercicio.
Por otro lado, las células conectadas al tálamo mostraron patrones de actividad complejos y persistentes una vez que se pinchó el bigote de los ratones, pero antes de que se movieran. «Hay un código estable allí, exactamente cuál es el estímulo y qué tipo de movimiento va a hacer el ratón», dijo Economo. «Así es como esperamos que se vea el programa deportivo: representar los próximos deportes que persisten en el tiempo».
Estos hallazgos sugieren que los tres tipos de células identificados en el primer estudio desempeñan dos funciones distintas: una involucrada en la preparación para el movimiento y la otra involucrada en iniciar y controlar el movimiento. «La respuesta es tan clara y hermosa», dijo Tasic. «Es una muestra perfecta de cómo se puede usar este tipo de datos». Esto cubre solo tres de los 133 tipos de células identificados hasta el momento, pero el primer estudio proporciona un mapa de identidades genéticas hecho público a otros investigadores, lo que permitirá al personal de investigación. fueron capaces de poner a cero otros tipos para experimentos similares. «Estos estudios ofrecen una visión para el futuro de la neurociencia: caracterizar de manera integral todos los principales tipos de células en el cerebro y definir sistemáticamente sus funciones», dijo Nowakowski. «También muestra que apenas estamos comenzando este viaje».
