Nuestra comprensión del funcionamiento interno del cerebro humano se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo por la dificultad práctica y ética de observar el desarrollo, la conexión y la interacción de las neuronas humanas. Hoy en un nuevo estudio publicado en Naturaleza, neurocientíficos de la Universidad de Stanford dirigidos por Sergiu Paşca informan que han encontrado una nueva forma de estudiar las neuronas humanas: trasplantando tejido similar al cerebro humano en ratas que tienen solo unos días de edad, cuando sus cerebros aún no se han formado por completo. Los investigadores muestran que las neuronas humanas y otras células cerebrales pueden crecer e integrarse en el cerebro de la rata, convirtiéndose en parte del circuito neuronal funcional que procesa las sensaciones y controla aspectos del comportamiento.
Usando esta técnica, los científicos deberían poder crear nuevos modelos de vida para una amplia gama de trastornos del neurodesarrollo, incluidas al menos algunas formas de trastorno del espectro autista. Los modelos serían tan prácticos para los estudios de laboratorio neurocientíficos como lo son los modelos animales actuales, pero serían mejores sustitutos para los trastornos humanos porque consistirían en células humanas reales en circuitos neuronales funcionales. Podrían ser objetivos ideales para las herramientas modernas de neurociencia que son demasiado invasivas para usar en cerebros humanos reales.
“Este enfoque es un paso adelante en el campo y ofrece una nueva forma de comprender los trastornos del funcionamiento neuronal.,"Dijo madeline lancaster, un neurocientífico del Laboratorio de Biología Molecular MRC en Cambridge, Reino Unido, que no participó en el trabajo.
El trabajo también marca un nuevo y emocionante capítulo en el uso de organoides neuronales. Hace casi 15 años, los biólogos descubrieron que las células madre humanas podían autoorganizarse y convertirse en pequeñas esferas que contenían diferentes tipos de células y se parecían al tejido cerebral. Estos organoides abrieron una nueva ventana a las actividades de las células cerebrales, pero la vista tiene sus límites. Si bien las neuronas en un plato pueden conectarse entre sí y comunicarse eléctricamente, no pueden formar circuitos verdaderamente funcionales ni alcanzar el pleno crecimiento y la destreza computacional de las neuronas sanas en su hábitat natural, el cerebro.
Trabajo pionero por varios grupos de investigación demostraron hace años que los organoides del cerebro humano podrían insertarse en el cerebro de ratas adultas y sobrevivir. Pero el nuevo estudio muestra por primera vez que el cerebro floreciente de una rata recién nacida aceptará neuronas humanas y les permitirá madurar, al mismo tiempo que las integra en circuitos locales capaces de impulsar el comportamiento de la rata.
Paşca señaló que había “mil razones para creer que eso no funcionaría”, dadas las drásticas diferencias en cómo y cuándo se desarrollan los sistemas nerviosos de las dos especies. Y, sin embargo, funcionó, con las células humanas encontrando las pistas que necesitaban para hacer conexiones esenciales.
"Este es un estudio muy necesario y elegante que dirige el campo en la dirección correcta de buscar enfoques para avanzar en la relevancia fisiológica de los organoides del cerebro humano para modelar las etapas posteriores del desarrollo del cerebro humano", dijo. Giorgia Cuadrado, neurocientífico de la Universidad del Sur de California.
Comprender los procesos celulares y moleculares que fallan en las neuronas y conducen a trastornos cerebrales siempre ha sido la motivación de Paşca. [Nota del editor: Ver el entrevista de acompañamiento con Paşca sobre su vida, carrera y motivaciones para su trabajo.] Debido a que muchos trastornos psiquiátricos y neurológicos se arraigan en el cerebro durante el desarrollo, aunque es posible que los síntomas no surjan hasta años después, observar cómo se desarrollan las neuronas parece ser la mejor manera de llenar los vacíos en nuestra comprensión. Es por eso que el objetivo de Paşca ha sido trasplantar organoides de cerebro humano en ratas recién nacidas desde que comenzó a trabajar con neuronas en un plato hace 13 años.
En el nuevo trabajo, que también fue encabezado por los colegas de Stanford de Paşca felicity gore, Kevin Kelley y Omer Revah (ahora en la Universidad Hebrea de Jerusalén): el equipo insertó organoides cerebrales humanos corticales en la corteza somatosensorial de crías de rata muy jóvenes, antes de que el circuito cerebral de las crías estuviera completamente establecido. Esto le dio a las neuronas humanas la oportunidad de recibir conexiones de largo alcance desde una región clave que procesa la información sensorial entrante. Luego, los investigadores esperaron para ver si el organoide crecería junto con el resto del cerebro en desarrollo de la rata.
“Descubrimos que si colocamos el organoide en esa etapa temprana… crece hasta nueve veces más de lo que era inicialmente durante un período de cuatro o cinco meses”, dijo Paşca. Eso se tradujo en un área de tejido cerebral similar al humano que cubría aproximadamente un tercio de uno de los hemisferios cerebrales de la rata.
Pero a pesar de que las neuronas humanas permanecieron juntas en el área cortical donde fueron colocadas quirúrgicamente, los investigadores demostraron que se convirtieron en partes activas de los circuitos neuronales insertados en lo profundo del cerebro de la rata. La mayoría de las neuronas humanas trasplantadas comenzaron a responder a las sensaciones táctiles de los bigotes de la rata: cuando se dirigían bocanadas de aire a los bigotes, las neuronas humanas se volvían más activas eléctricamente.
Aún más sorprendente, el flujo de señales neuronales también podría correr en la otra dirección e influir en el comportamiento. Cuando las neuronas humanas fueron estimuladas con luz azul (a través de una técnica llamada optogenética), desencadenó un comportamiento condicionado en las ratas que las hizo buscar una recompensa lamiendo más a menudo una botella de agua.
“Eso significa que en realidad hemos integrado células humanas en el circuito”, dijo Paşca. “No es cambiar los circuitos. … Es solo que las células humanas ahora son parte de esto”.
Las células trasplantadas no imitaban perfectamente el tejido cerebral humano en su nuevo entorno. Por ejemplo, no se organizaron en la misma estructura de múltiples capas que se observa en la corteza cerebral humana. (Tampoco siguieron el ejemplo de las neuronas de rata circundantes y formaron las columnas en forma de barril características de la corteza somatosensorial de rata). Pero las neuronas individuales trasplantadas mantuvieron muchas de las propiedades eléctricas y estructurales humanas normales.
Las células aprovecharon una gran ventaja de estar dentro de un cerebro: se vincularon con éxito con el sistema vascular del cerebro de la rata, lo que permitió que los vasos sanguíneos penetraran en el tejido para suministrar oxígeno y hormonas. Se cree que la falta de suministro de sangre es una de las principales razones por las que las neuronas humanas que crecen en un plato de forma rutinaria no logran madurar por completo, junto con la falta de entradas de señales neuronales que probablemente se necesitan para dar forma al desarrollo, explicó Paşca. Cuando su equipo comparó las neuronas humanas trasplantadas con las que vivían en un plato, encontraron que las neuronas trasplantadas eran seis veces más grandes, con un tamaño y un perfil de actividad eléctrica más cercano al de las neuronas del tejido cerebral humano natural.
“Hay algo en el entorno in vivo, es decir, los nutrientes y las señales eléctricas que reciben en el cerebro, que lleva a las células humanas a otro nivel de maduración”, dijo Paşca.
Debido a que las neuronas humanas maduraron tanto dentro de los cerebros de las ratas, Paşca y sus colegas pudieron ver diferencias inusuales en el desarrollo de organoides cerebrales derivados de personas con un trastorno genético llamado síndrome de Timothy, que a menudo causa autismo y epilepsia. En los cerebros de rata, las neuronas humanas trasplantadas que portaban genes para el síndrome de Timothy desarrollaron ramas dendríticas anormales que establecieron conexiones inusuales. De manera crucial, algunos de estos desarrollos atípicos solo se pueden ver en las neuronas humanas que crecen dentro de la corteza de la rata, y no en las neuronas organoides en un plato.
Paşca enfatiza que, hasta ahora, estos tipos de cambios sutiles en las neuronas en maduración que afectan la función cerebral y conducen a trastornos neurológicos y psiquiátricos se nos han ocultado en gran medida.
“Los resultados son muy emocionantes”, dijo bennett novitch, neurocientífico y biólogo de células madre de la Universidad de California, Los Ángeles. Los estudios in vitro de tejidos neurales seguirán siendo más rápidos y prácticos para muchos tipos de estudios neurológicos y pruebas de drogas, señaló, pero el nuevo artículo "ilustra cómo revelar las características maduras de las neuronas humanas... aún se logra mejor en el entorno in vivo". .”
Paşca espera que poder estudiar neuronas humanas maduras dentro de ratas finalmente acerque los tratamientos para los trastornos psiquiátricos y las afecciones neurológicas. Otros en el campo también tienen esperanzas. "Si esta estrategia de trasplante de organoide puede realmente imitar las firmas de la enfermedad, esto realmente podría acelerar nuestro camino hacia la cura", dijo joel blanco, neurocientífico de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai.
La naturaleza del nuevo trabajo puede generar dudas sobre el bienestar y el tratamiento ético de las ratas. Por esa razón, Paşca y sus colegas han mantenido conversaciones activas con especialistas en ética desde el principio. Como en todos los experimentos con animales, había un requisito legal de que las ratas fueran monitoreadas exhaustivamente por técnicos de laboratorio con autoridad para detener el experimento en cualquier momento. Pero no se encontraron diferencias en las ratas con organoides cerebrales humanos trasplantados en una serie de pruebas cognitivas y de comportamiento.
Inso Hyun, un especialista en bioética afiliado al Centro de Bioética de la Facultad de Medicina de Harvard, dijo que no tiene preocupaciones éticas sobre los experimentos actuales. El equipo de Paşca siguió todas las pautas desarrolladas por la Sociedad Internacional para la Investigación de Células Madre que rigen la investigación con organoides del cerebro humano y la transferencia de células humanas a animales. “Para mí, el problema es realmente comprender: ¿A dónde vas a partir de ahí?” él dijo.
Hyun está más preocupado por otros equipos de investigación que ahora pueden interesarse en trasplantar organoides de cerebro humano a especies más similares a la nuestra, como los primates no humanos. “Tendrías que tener una conversación muy intensa a nivel de supervisión de por qué estás justificado para ir a algo más complejo”, dijo Hyun.
Paşca dice que él y sus colegas no tienen ningún interés en tales experimentos que empujan los límites. También cree que la dificultad de cultivar y mantener los organoides para el trasplante frenará la mayoría de las investigaciones potencialmente imprudentes. “Hay pocos lugares con la infraestructura y la experiencia necesarias para hacer esto”, dijo.
Los desafíos científicos más inmediatos y prácticos radican en mejorar los organoides del cerebro humano que se trasplantan a las ratas. Sin duda, todavía queda un largo camino por recorrer. Actualmente, al tejido similar al cerebro humano le faltan muchas células cerebrales importantes más allá de las neuronas, como la microglía y los astrocitos, así como las neuronas involucradas en la inhibición de la actividad de otras neuronas. El equipo de Paşca está trabajando actualmente en experimentos que trasplantarán "assembloids", conjuntos de organoides que representan diferentes regiones del cerebro cuyas células migran e interactúan entre sí.
Puede haber límites en cuanto a cuánto se pueden aplicar los hallazgos de las neuronas humanas dentro de un cerebro de rata a un cerebro humano natural. Las ratas utilizadas en estos estudios de trasplante nacen con un sistema inmunológico defectuoso, debido a una mutación genética. Eso los hace muy adecuados para los trasplantes, ya que es menos probable que su sistema inmunitario rechace las células humanas implantadas. Pero también significa que los estudios de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, que se sabe que tienen componentes inmunitarios, pueden ser más difíciles. Y no importa cuán realistas sean los organoides de cerebro humano trasplantados, mientras estén en un cerebro de rata, estarán expuestos a sangre de rata, con su perfil único de nutrientes y hormonas, en lugar de sangre humana. Por lo tanto, los neurocientíficos pueden estar estudiando sistemas que están un poco por debajo de la realidad dentro del cráneo humano.
Pero para Paşca, este nuevo sistema ofrece la oportunidad de acercarse más que nunca a la verdad fundamental sobre cómo los procesos neurobiológicos alterados causan trastornos neurológicos y psiquiátricos. El trasplante de organoides en ratas recién nacidas finalmente ofrece una forma de emplear toda la fuerza de las herramientas modernas de neurociencia en la investigación sobre el desarrollo de circuitos y neuronas humanas.
“Los problemas difíciles, como la comprensión de los trastornos psiquiátricos que son condiciones exclusivamente humanas, requerirán enfoques audaces”, dijo Paşca.
