Un equipo de investigación en Japón ha recreado con éxito circuitos neuronales humanos clave en el laboratorio utilizando pequeños modelos cerebrales de múltiples regiones llamados ensambloides. Estas estructuras se cultivan a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPS) y están diseñadas para imitar cómo se conectan y comunican diferentes partes del cerebro humano. Utilizando este sistema, los científicos demostraron que el tálamo desempeña un papel central en la configuración de circuitos neuronales especializados dentro de la corteza cerebral humana.
El estudio fue publicado en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América.
Por qué son importantes los circuitos neuronales corticales
La corteza cerebral contiene muchos tipos diferentes de neuronas que deben comunicarse eficazmente entre sí y con otras regiones del cerebro. Estas conexiones son esenciales para las funciones cerebrales centrales, incluidas la percepción, el pensamiento y la cognición.
En personas con afecciones del desarrollo neurológico, como el trastorno del espectro autista (TEA), estos circuitos corticales a menudo se desarrollan o funcionan de manera anormal. Debido a esto, comprender cómo se forman y maduran los circuitos neuronales es fundamental para descubrir las raíces biológicas de estos trastornos y desarrollar nuevos tratamientos.
El tálamo y su papel en el cableado cerebral
Investigaciones anteriores en roedores han demostrado que el tálamo desempeña un papel importante en la organización de los circuitos neuronales en la corteza. Sin embargo, se desconoce en gran medida cómo interactúan el tálamo y la corteza durante la formación de circuitos en el cerebro humano.
Estudiar este proceso directamente en humanos es difícil debido a limitaciones éticas y técnicas en la obtención de tejido cerebral. Para superar estos desafíos, los científicos han recurrido a los organoides, que son estructuras tridimensionales cultivadas a partir de células madre que se asemejan a órganos reales.
De organoides a ensamblados
Si bien los organoides son útiles, un solo organoide no puede capturar las complejas interacciones entre diferentes regiones del cerebro. Para estudiar la formación de circuitos neuronales de manera más realista, los investigadores utilizan ensamblados, que se crean combinando físicamente dos o más organoides.
El profesor Fumitaka Osakada, el estudiante de posgrado Masatoshi Nishimura y sus colegas de la Escuela de Graduados en Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de Nagoya desarrollaron ensambloides que modelan las interacciones entre el tálamo y la corteza.
El equipo primero generó organoides corticales y talámicos separados a partir de células iPS humanas. Luego, estos organoides se fusionaron, lo que permitió a los investigadores observar cómo interactúan las dos regiones del cerebro a medida que se desarrollan.
Mini circuitos cerebrales que se comportan como si fueran reales
Los investigadores observaron que las fibras nerviosas del tálamo crecían hacia la corteza, mientras que las fibras corticales se extendían hacia el tálamo. Estas fibras formaron sinapsis entre sí, muy parecidas a las conexiones que se ven en el cerebro humano.
Para evaluar cómo esta interacción afectó el desarrollo, el equipo comparó la expresión genética en la región cortical del asmbloide con la de un organoide cortical independiente. El tejido cortical conectado al tálamo mostró signos de mayor madurez, lo que indica que la comunicación de la corteza del tálamo promueve el crecimiento y desarrollo cortical.
Las señales talámicas impulsan la sincronía neuronal
Los científicos también examinaron cómo viajaban las señales a través del ensamblaje. Descubrieron que la actividad neuronal se propagaba desde el tálamo a la corteza en patrones ondulatorios, creando una actividad sincronizada a través de las redes corticales.
Para comprender qué neuronas estaban involucradas, el equipo midió la actividad en tres tipos principales de neuronas excitadoras corticales: intratelencefálicas (IT), tracto piramidal (PT) y corticotalámicas (CT).
Se observó actividad sincronizada en las neuronas PT y CT, las cuales envían señales de regreso al tálamo. Las neuronas TI, que no se proyectan al tálamo, no mostraron la misma sincronización. Esto sugiere que la entrada talámica fortalece selectivamente tipos específicos de neuronas, ayudándolas a formar redes coordinadas y madurar funcionalmente.
Una nueva herramienta para estudiar los trastornos cerebrales
Al recrear con éxito circuitos neuronales humanos utilizando ensamblados, los investigadores han establecido una nueva y poderosa plataforma para estudiar cómo se forman, funcionan y difieren los circuitos cerebrales entre tipos de células.
Osakada explicó la importancia más amplia del trabajo y dijo: «Hemos logrado avances significativos en el enfoque constructivista para comprender el cerebro humano reproduciéndolo. Creemos que estos hallazgos ayudarán a acelerar el descubrimiento de mecanismos subyacentes a los trastornos neurológicos y psiquiátricos, así como el desarrollo de nuevas terapias».