Tu cerebro es resultado de dos grupos de células distintas, y no solo de uno como se creía
El cerebro es quizás el órgano más complejo del organismo y todavía se desconocen muchos de sus mecanismos y estructuras. El misterio radica, en gran medida, en el conocimiento limitado que existe sobre su propia formación. De hecho, no se ha resuelto aún el misterio de cómo ni cuándo se diversifican las diferentes regiones que lo componen.
Durante décadas, la comunidad científica ha considerado que el cerebro se desarrolla a partir de una única población de células progenitoras tempranas, de la que surgirían todas sus regiones. Este modelo suponía que las diferentes partes del cerebro compartían un mismo origen durante el desarrollo embrionario.
Sin embargo, una nueva investigación liderada por científicos de la Facultad de Medicina de Stanford cuestionó esta idea ampliamente adoptada. ¿En realidad todo el cerebro surge originalmente de un único grupo de células precursoras, o existen desde etapas muy tempranas diferentes poblaciones destinadas a formar regiones cerebrales específicas?
Para encontrar una respuesta, los científicos diseñaron un estudio en distintas fases para analizar y comparar los mecanismos que dan origen a las regiones anterior y posterior del cerebro en diferentes momentos del desarrollo embrionario.
Nuevas investigaciones realizadas en ratones han demostrado que el cerebro no está completamente vacío al nacer.
Tal como describe el artículo publicado en la revista Nature Neuroscience, la investigación comenzó con el análisis de embriones de ratón en desarrollo. Los especialistas se enfocaron en el desarrollo cerebral durante una etapa muy temprana conocida como gastrulación, en la que las células que forman el embrión se distribuyen y organizan en capas para dar origen a los diferentes tejidos y órganos.
En este ejercicio, los investigadores identificaron dos poblaciones de células progenitoras que permanecen separadas durante las primeras etapas del desarrollo cerebral. Una de ellas expresa el gen OTX2 y está destinada a producir el prosencéfalo y el mesencéfalo. La segunda expresa GBX2 y da origen al rombencéfalo. El estudio precisa que ambos grupos son mutuamente excluyentes. Es decir, no se mezclan ni se superponen durante las primeras etapas del desarrollo embrionario.
Los científicos ampliaron el análisis para averiguar si estas mismas rutas se reproducen en humanos. Para ello, modificaron células madre pluripotentes humanas en laboratorio para que adoptaran dos estados distintos que imitan poblaciones celulares muy tempranas del desarrollo del sistema nervioso: unas adquirieron características del ectodermo neural anterior (aNE), relacionado con las regiones que posteriormente darán origen al prosencéfalo y al mesencéfalo, mientras que otras adquirieron características del ectodermo neural posterior (pNE), relacionado con el desarrollo del rombencéfalo.
No solo en ratones, humanos y otros vertebrados comparten el mecanismo
Para distinguir ambos grupos, las células pNE se marcaron con fluorescencia, mientras que las aNE se dejaron sin marcar. Posteriormente, las dos poblaciones celulares se mezclaron en un mismo cultivo y se expusieron a diferentes señales moleculares que simularon las instrucciones que reciben las células durante el desarrollo embrionario.
Algunas de estas señales favorecían la formación de características del prosencéfalo, otras del mesencéfalo y otras del rombencéfalo, tres regiones embrionarias que dan lugar a distintas estructuras del cerebro humano.
Las células cultivadas y activadas artificialmente se analizaron mediante inmunotinción, una técnica que permite identificar proteínas específicas y, por lo tanto, determinar qué tipo de célula se había formado.
Los resultados mostraron que, en ambas poblaciones celulares, el estado inicial y las señales que recibían influían en el tipo de tejido cerebral que podían generar. Con estos conocimientos, los investigadores lograron inducir células humanas para que se desarrollaran hasta convertirse en neuronas motoras del rombencéfalo. Además, comprobaron que presentaban tanto las proteínas características de este tipo neuronal como actividad eléctrica, lo que indica que habían adquirido propiedades funcionales propias de estas neuronas.
Finalmente, los científicos utilizaron otros modelos animales para determinar si este mecanismo podría extenderse al desarrollo de los vertebrados en general. Descubrieron que el proceso también era visible en macacos, pollos y pez cebra, así como en gusanos bellota. La comparación entre especies con diferentes historias evolutivas y las similitudes encontradas sugieren que el mecanismo podría ser muy antiguo.
En conjunto, el experimento demostró que el mecanismo observado inicialmente en embriones de ratón también era visible en células humanas y de otros animales. De esta manera, los autores concluyen que el desarrollo de diferentes regiones del cerebro comienza muy pronto y depende de poblaciones progenitoras que siguen rutas distintas y no, necesariamente, de una única población progenitora.
“Hemos demostrado por primera vez que la parte frontal del cerebro se origina a partir de una célula progenitora totalmente diferente a la de la parte posterior. Nuestro descubrimiento significa que ahora podemos cultivar neuronas de la parte posterior del cerebro, el rombencéfalo, en una placa de Petri y estudiar sus funciones”, afirmó Kyle Loh, doctor en Biología del desarrollo y profesor asociado de Stanford.
Los hallazgos ofrecen una vía para explicar por qué la comunidad científica ha tenido dificultades durante décadas para cultivar ciertos tipos de células cerebrales en el laboratorio. “Los intentos anteriores de crear neuronas del rombencéfalo probablemente trataron de inducir la diferenciación de progenitores del prosencéfalo y del mesencéfalo hacia células del rombencéfalo, algo que nuestro estudio demuestra que no es posible”, señaló Rayyan Jokhai, estudiante de posgrado y coautor de la investigación.
Además, la investigación ofrece una nueva perspectiva para el estudio de enfermedades que afectan al tronco encefálico, como la atrofia muscular espinal y la esclerosis lateral amiotrófica. “Ahora contamos con un modelo para comprender mejor estas enfermedades devastadoras y trabajar en el desarrollo de terapias regenerativas para combatirlas. Esta es una nueva y prometedora frontera en la investigación cerebral”, concluyó Jokhai.