Científicos japoneses crean circuitos cerebrales humanos en el laboratorio

Un equipo de investigación en Japón logró recrear circuitos neuronales humanos clave en el laboratorio mediante el uso de modelos cerebrales en miniatura denominados assembloids. Estas estructuras, desarrolladas a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPS), simulan cómo diferentes partes del cerebro humano se conectan y comunican. Utilizando este sistema, los científicos demostraron que el tálamo desempeña un papel central en la formación de circuitos neuronales especializados dentro de la corteza cerebral humana.

El estudio fue publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. En este trabajo, los investigadores encontraron que el tálamo juega un papel decisivo en la maduración de la corteza y en la organización de sus redes neuronales. Las señales del tálamo provocaron una actividad sincronizada en tipos específicos de neuronas, mientras que otros permanecieron sin cambios. Este sistema imita de cerca el desarrollo cerebral humano y podría transformar la forma en que los científicos estudian los trastornos neurológicos.

Importancia de los circuitos neuronales corticales

La corteza cerebral contiene diversos tipos de neuronas que deben comunicarse de manera efectiva entre sí y con otras regiones del cerebro. Estas conexiones son esenciales para funciones cerebrales fundamentales, como la percepción, el pensamiento y la cognición. En personas con condiciones de neurodesarrollo como el trastorno del espectro autista (TEA), estos circuitos corticales a menudo se desarrollan o funcionan de manera anormal. Por ello, comprender cómo se forman y maduran los circuitos neuronales es crucial para desentrañar las raíces biológicas de estos trastornos y para desarrollar nuevos tratamientos.

El tálamo y su función en la conexión cerebral

Investigaciones previas en roedores habían demostrado que el tálamo juega un papel importante en la organización de circuitos neuronales en la corteza. Sin embargo, cómo interactúan el tálamo y la corteza durante la formación de circuitos en el cerebro humano había permanecido en gran medida desconocido. Estudiar este proceso directamente en humanos es complicado debido a limitaciones éticas y técnicas para obtener tejido cerebral. Para superar estos desafíos, los científicos han recurrido a los organoides, estructuras tridimensionales cultivadas a partir de células madre que se asemejan a órganos reales.

De organoides a assembloids

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 assembloids, 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 assembloids 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, permitiendo a los investigadores observar cómo interactúan las dos regiones cerebrales a medida que se desarrollan.

Circuitos cerebrales miniatura que se comportan como los reales

Los investigadores observaron que las fibras nerviosas del tálamo crecieron hacia la corteza, mientras que las fibras corticales se extendieron hacia el tálamo. Estas fibras formaron sinapsis entre sí, asemejándose a las conexiones observadas en el cerebro humano. Para evaluar cómo esta interacción afectó el desarrollo, el equipo comparó la expresión génica en la región cortical del assembloid con la de un organoide cortical independiente. El tejido cortical conectado al tálamo mostró signos de mayor madurez, lo que indica que la comunicación entre el tálamo y la corteza promueve el crecimiento y desarrollo cortical.

Señales talámicas impulsan la sincronía neuronal

Los científicos también examinaron cómo viajaban las señales a través del assembloid. Descubrieron que la actividad neuronal se propagaba desde el tálamo hacia la corteza en patrones ondulatorios, creando actividad sincronizada en redes corticales. Para entender qué neuronas estaban involucradas, el equipo midió la actividad en tres tipos principales de neuronas excitatorias corticales: intratelencefálicas (IT), de tracto piramidal (PT) y corticotalámicas (CT). Se observó actividad sincronizada en neuronas PT y CT, que envían señales de regreso al tálamo. Las neuronas IT, que no 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 trastornos cerebrales

Al recrear con éxito circuitos neuronales humanos utilizando assembloids, los investigadores establecieron una poderosa nueva plataforma para estudiar cómo se forman, funcionan y difieren los circuitos cerebrales entre tipos celulares. Osakada explicó la importancia más amplia de este trabajo, afirmando: "Hemos avanzado significativamente en el enfoque constructivista para comprender el cerebro humano al reproducirlo. Creemos que estos hallazgos ayudarán a acelerar el descubrimiento de los mecanismos subyacentes a los trastornos neurológicos y psiquiátricos, así como el desarrollo de nuevas terapias."