Los científicos acaban de revelar el mapa más completo de la corteza del mono hasta el momento

Un equipo internacional dirigido por científicos chinos acaba de construir el atlas más completo de la corteza del mono macaco hasta la fecha. La capa más externa del cerebro, la corteza, alberga muchas de nuestras preciadas funciones cognitivas: la capacidad de razonar, tomar decisiones y adaptarse a entornos en constante cambio sobre la marcha.

En comparación con otros animales, los primates, incluidos los humanos, tienen una corteza cerebral enormemente expandida. Los científicos han pensado durante mucho tiempo que esta peculiaridad evolutiva es lo que le da a nuestro cerebro la capacidad de manejar cálculos complejos.

¿Pero cómo?

El secreto puede estar oculto en los muchos tipos de células de la corteza y en cómo se organizan. Un tema clave en biología es "la estructura determina la función". Al igual que construir una computadora desde cero, cada componente y su ubicación y cableado pueden alterar el rendimiento.

Catalogar la ubicación precisa de cada célula en la corteza del mono podría ayudar a decodificar, y tal vez recrear digitalmente, las reglas que hacen que la corteza de los primates sea una potencia computacional.

El estudio, publicado in Celular, también aprovechó una herramienta relativamente nueva para el mapeo cerebral. Llamado secuencia estéreo, la tecnología extrae información genética, el transcriptoma, de múltiples células a la vez, agregando una nueva capa de datos a la posición de cada célula.

El equipo creó una huella digital molecular para cada célula mediante el registro de la actividad de aproximadamente 500 genes. Luego, gracias a una fuerte dosis de IA, clasificaron casi 1.5 millones de células de 143 regiones en distintos tipos de células y mapearon su ubicación en la corteza.

El proyecto ya ha arrojado algunas ideas. Las células cerebrales tienden a actuar en camarillas. Algunos tipos prefieren la compañía de ciertas otras células, lo que sugiere que forman redes neuronales locales. Las neuronas que aumentan o amortiguan la actividad cerebral general también tienen lugares preferidos, y su número cambia entre las regiones corticales y la profundidad.

Además, en comparación con un atlas del cerebro de un ratón, el nuevo mapa encontró varios tipos de células específicas de los primates agrupados en una capa de la corteza.

"La composición celular del cerebro y su distribución espacial son los temas básicos de la ciencia del cerebro, y su importancia es similar a la secuencia de bases de ADN descubierta por la secuenciación del genoma humano". dijo el autor del estudio, el Dr. Chengyu Li, de la Academia de Ciencias de China. La corteza cerebral de los macacos es como la nuestra, y este estudio ofrece el mapa más completo de su tipo.

Un pastel neuronal enigmático

La corteza es una estructura elaborada de seis capas repleta de diferentes tipos de neuronas y otras células cerebrales.

Las neuronas suelen ser la estrella del espectáculo: estas células activadas eléctricamente se conectan a redes neuronales para procesar información. Los dos tipos principales ayudan a equilibrar el nivel de actividad general del cerebro. Las células glutamatérgicas son excitatorias y aceleran la computación del cerebro. Las células GABAérgicas son inhibidoras y reducen la actividad de la red.

Las células no neurales completan el cuadro. Algunos ayudan a proteger el cerebro de infecciones. Otros apoyan el metabolismo neuronal y limpian los desechos moleculares. No son personajes secundarios: estudios recientes muestran que juegan un papel fundamental en la formación de redes neuronales en el desarrollo temprano y para combatir trastornos neurodegenerativos como el Alzheimer.

El nuevo estudio se centró principalmente en estas células cerebrales.

Tajando y cortando

El equipo analizó los cerebros de tres monos macacos machos adultos. Con más de seis mil millones de células, sus cerebros son evolutivamente similares a los nuestros.

Para empezar, el equipo cortó cuidadosamente el cerebro de adelante hacia atrás con varios cortes expertos. Uno, aproximadamente del grosor del papel de una impresora, se usó para secuenciar el perfil genético de cada célula.

Otros cortes, adyacentes a los bloques más gruesos para mantener la integridad espacial, eran aún más delgados. A la mitad de estos, el equipo agregó un tinte que brilla en la oscuridad que se adhiere a las proteínas que salpican el exterior de las neuronas. Este paso facilita la detección de distintas ubicaciones anatómicas en la corteza.

Se extrajeron los datos genéticos del segundo lote de cortes ultrafinos mediante la nueva herramienta Stereo-seq. Piense en este paso que funciona como una cámara digital, pero en lugar de capturar píxeles, captura datos de expresión génica de cada célula en forma de ARN mensajero (ARNm). El "transcriptoma" resultante es una instantánea de todos los genes activos de cualquier célula en cualquier momento.

El objetivo aquí es obtener imágenes del transcriptoma de cada célula mientras se mantiene la información sobre la ubicación física de cada célula. Al igual que un sensor de cámara, el proceso comienza con un chip de silicio del tamaño de dos sellos. El chip de nuevo diseño tiene un campo de visión mucho más amplio que las iteraciones anteriores, como un teléfono en modo panorámico, lo que facilita el escaneo de regiones cerebrales más grandes.

En cada chip hay conjuntos 2D de nanobolas de ADN para agarrar el ARNm. Las membranas celulares se tiñeron con tintes para ayudar al equipo a hacer coincidir una huella dactilar del transcriptoma con su huésped.

Usando múltiples algoritmos de inteligencia artificial, el equipo combinó todos estos conjuntos de datos en el primer atlas tridimensional de una sola célula del mundo de la corteza macaca. Cada tipo de célula se detalla en el mapa, junto con una taxonomía de tres niveles que ilustra cómo las células difieren a lo largo de la corteza.

Por ejemplo, un tipo de neurona excitadora en las capas dos y tres de la corteza expresa un gen "regulador maestro" para la señalización del estrés en el cerebro. Las tres células principales del cerebro (glutamato, GABA y células no neuronales) se correlacionan con la jerarquía estructural de la corteza, con algunas más abundantes en sus regiones y profundidades.

Un recurso para la evolución

La corteza se expandió enormemente en los primates y, a menudo, se la considera el asiento de la cognición superior. En otro análisis, el equipo comparó el mapa del cerebro del mono con los existentes ratón y humana atlas para desenterrar nuevos tipos de células específicas de los primates.

La prueba identificó un grupo de células excitatorias en la cuarta capa de la corteza de los primates que están ausentes en los ratones. Las células estaban muy concentradas en la parte frontal del cerebro, un área que soporta una mayor cognición, con genes previamente vinculados al lenguaje, el desarrollo del cerebro y el autismo.

El equipo hizo que el recurso fuera gratuito para cualquiera. Proporciona una cornucopia de datos para abordar la antigua pregunta de cómo la estructura conduce a la inteligencia, y cuándo, por qué y cómo nuestros cerebros tartamudean en enfermedades neurológicas. El Dr. Xun Xu dijo que los resultados también pueden "promover avances en el campo de la ciencia del cerebro, como la inteligencia inspirada en el cerebro y las interfaces cerebro-computadora".

Todo el conjunto de datos es de código abierto. Juega con ello esta página.

Crédito de la imagen: Atlas de transcriptómica espacial de macacos / BGI

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• Fuente: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/