El sistema nervioso humano es como una placa de circuito compleja. Cuando los cables se cruzan o los circuitos funcionan mal, pueden surgir afecciones como la esquizofrenia o el trastorno bipolar.

Por mucho tiempo, Los científicos han estado trabajando para acercarse e identificar cómo se forman los circuitos cerebrales para que puedan aprender a reconectar las neuronas que causan problemas.

Ahora, Los investigadores de Stanford, dirigidos por el profesor de biología Liqun Luo y el profesor de bioingeniería y física aplicada Stephen Quake, han dado un paso significativo en esa dirección al hacer un plano genético detallado, célula por célula, de las neuronas olfativas de la mosca de la fruta. Su trabajo ha sido publicado en Celda .

La idea básica detrás de la investigación es comprender los tipos de células neuronales del cerebro de mosca relativamente simple, e identificar las moléculas que dirigen el cableado preciso de diferentes tipos de neuronas en el cerebro de la mosca. Tiempo extraordinario, Los investigadores quieren utilizar un enfoque similar para estudiar la estructura celular mucho más compleja del cerebro humano, y tal vez algún día incluso repare los errores de cableado en los trastornos cerebrales.

Secuenciación de ARN unicelular

Remontándonos a la biología de la escuela secundaria, recuerde que las células tienen ADN y ARN. El ADN es el código genético que representa el plano de todo un organismo. La mosca de la fruta un organismo modelo para el ser humano porque comparte aproximadamente el 75 por ciento de nuestros genes de enfermedades conocidas, tiene alrededor de 15, 000 genes. Por supuesto, no todos los genes se expresan todo el tiempo. Cada célula individual expresa un subconjunto específico de genes, que a su vez producen un conjunto específico de proteínas. Las moléculas de ARN mensajero llevan los códigos genéticos para crear, o expreso, cualquier proteína que pueda ser requerida por una célula específica en cualquier momento.

Los investigadores de Stanford se centraron en las células del olfato, o oliendo, y cuadrantes sensoriales del cerebro de la mosca. La mosca de la fruta es uno de los organismos más estudiados en biología. Investigaciones experimentales anteriores han demostrado que el sistema olfativo de la mosca es un circuito limpio y simple. lo que lo convierte en el banco de pruebas ideal para desarrollar una nueva tecnología genética que investigue cómo se conectan los circuitos cerebrales. El centro olfativo del cerebro de la mosca tiene 50 tipos de neuronas de procesamiento central que desarrollan filamentos filiformes para conectarse con 50 tipos de neuronas sensoriales. Cada par de neuronas conectadas permite a la mosca de la fruta oler un grupo de olores, y en combinación, la mosca de la fruta puede detectar la miríada de olores de las frutas en su cocina.

Para ver todo el repertorio de genes expresados ​​en estas células, el equipo de Stanford utilizó un método iniciado por Quake que permite a los investigadores secuenciar todo el ARN mensajero en una célula. Las tecnologías de secuenciación de células individuales desarrolladas por Quake y sus colaboradores se han vuelto ampliamente utilizadas y son la base de los esfuerzos internacionales para desarrollar un atlas completo de tipos de células humanas y de ratón. Pero el investigador postdoctoral Hongjie Li y el estudiante de doctorado Felix Horns modificaron el proceso para que funcionara con la mosca de la fruta. que tiene células pequeñas y una cantidad mucho menor de ARN mensajero por célula.

Al combinar la secuenciación de ARN unicelular de Quake con el conocimiento detallado de Luo del circuito olfativo de la mosca de la fruta, el equipo pudo crear el primer plano que muestra cómo la actividad genética / proteica específica se correlaciona con el cableado biológico de al menos un componente del sistema nervioso de un organismo.

Definiendo un tipo de celda

Por último, a los investigadores les gustaría crear un modelo para el sistema nervioso humano, pero su primer paso debe ser identificar las células que componen el cerebro humano. Esto es particularmente desafiante porque aunque las células pueden definirse por función, fisiología, anatomía y expresión génica, Los investigadores han tenido dificultades para unificar estas propiedades. Dos células pueden tener la misma función pero fisiologías diferentes. "La gente ha tenido la esperanza de que la secuenciación de ARN unicelular ayude a resolver este problema, pero hasta ahora no ha sido fácil "dijo Luo.

Estudiar primero la mosca de la fruta ha ayudado porque durante las últimas dos décadas, Luo y su laboratorio han llegado a conocer la función, fisiología y anatomía del sistema olfativo del organismo muy bien. Aunque los investigadores todavía debaten si hay 1, 000 o 10, 000 tipos de células en el cerebro humano, Luo dijo que ya conocemos la cantidad de tipos de células en el sistema olfativo de la mosca de la fruta. Eso convirtió a este organismo simple en el banco de pruebas ideal para conectar la expresión génica con las otras piezas del rompecabezas del tipo celular y desarrollar un proceso para finalmente estudiar el cerebro humano.

Nuevas perspectivas

Aunque los investigadores todavía están muy lejos de ese objetivo, su hallazgo ya ha arrojado algunas ideas interesantes sobre las mentes de las moscas. Por ejemplo, los investigadores encontraron que durante el desarrollo, cuando las neuronas olfativas eligen compañeros de conexión, la expresión génica entre diferentes tipos de neuronas es diferente. Pero a medida que maduran las moscas de la fruta, los patrones de expresión génica de diferentes tipos neuronales se vuelven indistinguibles. "Una vez que el cerebro está conectado, la mosca no necesita expresar esos genes que les ayudan a elegir los socios de conexión, ", Dijo Horns." Así que hay menos diversidad de expresión genética en las moscas adultas ".

El objetivo final es desarrollar herramientas nuevas y poderosas para comprender los planos genéticos que conectan el cerebro humano. "Al seguir desarrollando este enfoque, Esperamos algún día realizar ingeniería inversa y tal vez incluso reparar circuitos defectuosos en el cerebro humano, "dijo Li, cuyo trabajo interdisciplinario en este proyecto fue apoyado por el Instituto de Neurociencias de Stanford.