Investigadores de ETH Zurich han desarrollado un modelo que explica cómo se conectan las células nerviosas del cerebro durante el desarrollo. Su modelo revela que el factor crucial es la división celular progresiva. Este proceso conduce naturalmente a la formación de direcciones moleculares que permiten navegar a las neuronas.

El cerebro humano es, con mucho, el órgano más complejo que la naturaleza haya producido jamás:100 mil millones de células nerviosas, cada una conectada a otras células a través de varios puntos de contacto, aseguran que nuestro conjunto de habilidades incluya la capacidad de una capacidad intelectual notable. Pero aún no está claro cómo logra formarse este órgano excepcional a partir de lo que comienza como un grupo desestructurado de células embrionarias.

Sin plan definido

En los últimos años, se han invertido grandes sumas de fondos de investigación para estudiar con precisión la estructura del cerebro completamente formado. La comunidad científica espera que el mapeo integral de las neuronas y sus conexiones, conocidas colectivamente como el conectoma, proporcione una mejor comprensión de cómo funciona el cerebro.

Sin embargo, la pregunta fundamental complementaria de cómo se forma el cerebro a partir de información genética limitada sigue sin respuesta. Para describir el conectoma, los genes tendrían que contener mil millones de veces más información de la que realmente contienen. Entonces, ¿cómo es que los humanos y los animales nacen con un cerebro complejo, en gran parte preestructurado, que les permite progresar rápidamente en el aprendizaje casi tan pronto como nacen?

Instrucciones para conectar

La respuesta a este rompecabezas es sorprendentemente simple, dice Stan Kerstjens, estudiante de doctorado en el Instituto de Neuroinformática de ETH Zurich y la Universidad de Zurich, y sus dos asesores Richard Hahnloser, Profesor de Neurociencias de Sistemas, y Rodney Douglas, Profesor Emérito de Neuroinformática. .

"Está claro que las instrucciones para conectar el cerebro deben codificarse genéticamente; de ​​lo contrario, no todos los cerebros de las personas desarrollarían una estructura similar", dice Kerstjens. "Sin embargo, no es el conectoma detallado lo que está codificado, sino un método de búsqueda único y compacto. Este método puede ser utilizado por los axones, las fibras largas que establecen contacto con otras células. Luego, la red es construida por axones que buscan células que son parientes genéticos de su propia neurona".

Estructura espacial y genética

Este mecanismo novedoso se describe en un artículo publicado recientemente en la revista PLOS Computational Biology . Los investigadores han desarrollado un modelo que les permite simular el desarrollo del cerebro de un ratón en etapas embrionarias y adultas. En términos humanos, esto corresponde a la etapa de madurez de un niño de seis años.

"Esencialmente, es un modelo de crecimiento de tejido", explica Kerstjens. El modelo comienza con una sola celda. A medida que emergen nuevas neuronas, cada división celular conduce a cambios estructurados en la expresión génica. Este mecanismo asegura que cada célula hija tenga una expresión génica similar, pero no idéntica, a su padre, y que las células con una expresión génica similar se agrupen cerca unas de otras. La organización ordenada por el desarrollo de las células hace que se marquen como puntos en un mapa, que la biología del cerebro puede usar para la navegación de axones.

Secuencia sistemática de células

Durante el desarrollo embrionario, este proceso establece una jerarquía de marcadores genéticos en diferentes regiones del cerebro, cada una de las cuales se caracteriza por el patrón genético de sus antepasados ​​compartidos. Navegar por el espacio descrito por esta jerarquía similar a un mapa implica seguir una secuencia sistemática de perfiles genéticos que se han desarrollado con cada nueva generación de células.

Aquí, los investigadores analizaron datos de expresión génica en cerebros de ratones que fueron publicados por el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro en Seattle. "Comparamos los datos de laboratorio con nuestras simulaciones y vimos que coincidían en gran medida. Entonces, vemos que la expresión de los genes en realidad divide el cerebro en regiones distintas pero relacionadas", explica Kerstjens.

Buscar celdas relacionadas

En la segunda etapa del modelo, las células se conectan con otras células. "Aquí les damos solo instrucciones básicas sobre qué señales moleculares deben usar los axones para guiarlos en su camino", continúa Kerstjens. "Esencialmente, le dijimos a cada uno que rastreara los patrones genéticos que determinaban su propio desarrollo individual. Entonces dependía de los propios axones seguir las direcciones moleculares hasta las direcciones de sus relaciones".

Los investigadores han podido demostrar que este mecanismo relativamente simple puede conducir axones a ciertas células a grandes distancias, produciendo un conectoma muy similar al del cerebro de un ratón real. "La mayoría de las células se conectan con otras que están ubicadas cerca, mientras que algunas llegan a regiones muy distantes. Esto da lugar a distintas áreas del cerebro, cada una de las cuales contiene redes muy unidas y también está conectada a otras áreas. ", dicen los investigadores.

Aún así, este modelo simple no explica completamente el mapeo de un cerebro humano real. "Pero ese no era el objetivo de nuestro trabajo", dice Kerstjens. "Queremos comprender el principio de cómo se crea un órgano que es capaz de aprender. Y el trabajo que hemos realizado hasta la fecha nos muestra la dirección que puede tomar la investigación futura". + Explora más

Regiones distantes del cerebro humano están interconectadas por sorprendentemente pocas conexiones