Investigadores de la Universidad de Nagoya han logrado, por primera vez, recrear circuitos cerebrales humanos funcionales en laboratorio. El equipo, liderado por el profesor Fumitaka Osakada y el doctorando Masatoshi Nishimura, utilizó “assemblóides”, estructuras tridimensionales en miniatura cultivadas a partir de células madre humanas. Los resultados de este innovador estudio han sido publicados en la prestigiosa revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.
Para llevar a cabo sus experimentos, los científicos generaron inicialmente organoides separados del tálamo y la corteza cerebral a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPS). Estos organoides son estructuras diminutas similares a órganos que imitan ciertas características de los órganos reales.
Imitación de órganos reales
Posteriormente, fusionaron ambos organoides para observar en tiempo real las interacciones entre las diferentes regiones del cerebro. El equipo observó que las fibras nerviosas del tálamo crecían hacia la corteza, mientras que, a su vez, las fibras corticales se extendían hacia el tálamo. Estas fibras formaron sinapsis – puntos de conexión entre las células nerviosas – que se asemejan a las conexiones presentes en el cerebro humano. Es importante destacar que las proyecciones del tálamo hacia la corteza se desarrollaron antes que las conexiones inversas, un patrón que coincide con el desarrollo natural del cerebro en primates.
El tálamo acelera la maduración de la corteza cerebral
Un análisis de la actividad genética reveló diferencias significativas: el tejido cortical conectado al tálamo mostró signos de mayor madurez en comparación con los organoides corticales cultivados de forma aislada. La expresión génica de los organoides conectados se asemejó a la de un feto humano entre las semanas 12 y 17 de gestación, mientras que los organoides corticales aislados correspondían a un estadio de desarrollo entre las 8 y 9 semanas.
Además, los investigadores encontraron un mayor número de células precursoras y un aumento en la cantidad de neuronas de las capas profundas del cerebro en las estructuras conectadas. Curiosamente, la simple proximidad espacial de los organoides, sin una fusión directa, fue suficiente para estimular la proliferación de las células precursoras, lo que sugiere que factores de señalización solubles provenientes del tálamo median este efecto.
Actividad sincronizada solo en ciertos tipos de neuronas
Utilizando imágenes de calcio, los científicos investigaron cómo las señales viajan a través de los assemblóides. Observaron patrones de actividad ondulatoria que se originaban en el tálamo y se propagaban hacia la corteza.
La corteza cerebral contiene tres tipos principales de neuronas excitatorias: intratelencefálicas (IT), de la vía piramidal (PT) y corticotálamicas (CT). Las neuronas IT se comunican principalmente dentro de la corteza, mientras que las neuronas PT y CT envían señales de vuelta al tálamo. Las mediciones revelaron que solo las neuronas PT y CT mostraron actividad sincronizada, es decir, desarrollaron patrones de señalización coordinados en el tiempo. Las neuronas IT, por otro lado, permanecieron asincrónicas.
Como control, los investigadores crearon assemblóides a partir de dos organoides corticales sin la participación del tálamo. En estas estructuras, ninguno de los tres tipos de neuronas mostró actividad sincronizada. Esto confirma, según los autores, que la entrada talámica fortalece selectivamente ciertos tipos de neuronas y promueve su interconexión.
Una herramienta para la investigación de enfermedades neurológicas
En personas con trastornos del desarrollo, como los trastornos del espectro autista, los circuitos de la corteza cerebral a menudo funcionan de manera defectuosa. Comprender cómo se forman y maduran estas redes es, por lo tanto, fundamental para la investigación de tales enfermedades.
“Hemos logrado avances significativos en el enfoque constructivista para comprender el cerebro humano al recrearlo”, afirmó Osakada. Los hallazgos podrían ayudar a dilucidar más rápidamente los mecanismos subyacentes a los trastornos neurológicos y psiquiátricos y a desarrollar nuevas terapias.
Los investigadores reconocen que su modelo aún tiene limitaciones: si bien los axones talámicos alcanzaron la corteza, no formaron haces de fibras agrupadas como en el cerebro real. Para futuros estudios, proponen desarrollar assemblóides triples que también incluyan estructuras del núcleo geniculado lateral, una región cerebral que sirve como estructura guía para las fibras nerviosas en crecimiento.
