El primer mapa completo del cerebro de un mamífero explica qué nos hace humanos

Ahora 10 estudios publicados en la revista ‘Nature‘ nos acercan a resolver este misterio al presentar el mapa más completo y detallado de los tipos de células presentes en el cerebro del ratón. Los hallazgos ofrecen información sobre la estructura y organización del cerebro junto con la función de las células cerebrales individuales y los circuitos neuronales. El trabajo, realizado por la Red de Censos Celulares de la Iniciativa BRAIN (BICCN), proporciona una herramienta para continuar con las investigaciones sobre el desarrollo y la evolución del cerebro de los mamíferos, incluido cómo la organización de diferentes tipos de células podría contribuir a los trastornos neurológicos en humanos.

El resultado es el esfuerzo de 6 años y del análisis de 32 millones de células gracias al empleo de tecnologías avanzadas y que han permitido identificar más de 5.300 tipos de células (muchos más de los que se conocían antes) y mostrar sus ubicaciones dentro de la intrincada geografía del cerebro. Tener una «lista de partes» completa del cerebro ayudará a acelerar los esfuerzos para desentrañar cómo funciona, señala Hongkui Zeng, directora del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro.

Este mapa completo de tipos de células en el cerebro de un mamífero puede revelar «no solo la actividad genética de células individuales, sino también su ubicación dentro de tejidos y órganos», comenta Evan Macosko, del Instituto Broad.

El trabajo colectivo es la piedra angular de la Red de Censo Celular de la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud, o BICCN. Cientos de investigadores han contribuido al proyecto, que fue financiado por la iniciativa BRAIN.

A principios de este año, los científicos del BICCN publicaron un atlas del cerebro humano, el primero de su tipo, que identificó más de cien tipos de células cerebrales. El nuevo atlas del cerebro del ratón complementa este trabajo y lo amplía al establecer comparaciones entre los cerebros de diferentes especies.

Para Rafael Yuste, director del Centro de NeuroTecnología de la Universidad de Columbia en Nueva York (EEUU), presidente de la Fundación NeuroRights e impulsor del proyecto BRAIN, esta remesa de artículos «es otra de las primeras salvas de lo que será un torrente de estudios en la próxima década que clasificarán, utilizando técnicas de transcriptómica, todos los tipos celulares del cuerpo. ¿Por qué son importantes los tipos celulares? El cuerpo es una máquina biológica muy compleja, formada por células de muchos tipos. Algún crítico podría decir, no sin razón, que no entenderemos cómo funciona ningún órgano del cuerpo hasta que no sepamos qué tipos de células lo componen».

En declaraciones a Science Media Centre, Yuste señala que lo más novedoso en esos artículos, «es que no solo se mapean los tipos celulares del cerebro, sino que se mapea por primera vez la posición de cada tipo de neurona. Es lo que se llama ‘transcriptómica espacial’, utilizando técnicas de microscopía nueva que permite hacer análisis transcriptómica de posiciones determinadas en cortes histológicos».

En el artículo realizado por el equipo de Zeng se describe cómo se creó el mapa de alta resolución, a partir de una combinación de secuenciación de ARN unicelular de alrededor de 4 millones de células y datos transcriptómicos espaciales de alrededor de 4,3 millones de células.

Los resultados revelan características únicas de la organización del tipo de célula en diferentes regiones del cerebro.

Al combinar la secuenciación de ARN unicelular con la transcriptómica espacial (métodos para determinar qué genes se expresan en células individuales y dónde se encuentran esas células), las investigaciones revelaron la asombrosa complejidad y diversidad del cerebro .

Una de las principales revelaciones del atlas es la profunda conexión entre la identidad genética de una célula y su posición espacial, explica Zeng. Esta relación subraya cómo funcionan las formas de ubicación, ofreciendo pistas sobre la historia evolutiva y las intrincadas interacciones de diferentes regiones del cerebro.

«Estamos viendo los componentes básicos de los circuitos del cerebro -asegura-. La organización del cerebro probablemente refleja su historia evolutiva».

En otro de los artículos se compara la regulación genética en la corteza motora primaria de humanos, macacos, titíes y ratones y los investigadores hallan características conservadas en estos mamíferos en variantes genéticas relacionadas con enfermedades como la esclerosis múltiple, la anorexia nerviosa y la adicción al tabaco.

Estos hallazgos demuestran el valor de los mapas cerebrales para identificar variantes genéticas que contribuyen a enfermedades y rasgos neurológicos, escriben los investigadores.

Otros artículos identifican características genéticas específicas de las células que influyen en funciones celulares especializadas o exploran cómo los tipos de células en diferentes partes del cerebro forman conexiones.

En el futuro, los investigadores creen que el atlas puede servir como modelo para mapeos similares en los cerebros de otras especies, concretamente la humana, un trabajo que ya está en marcha.

La investigación también proporciona una guía para seleccionar genéticamente a tipos de células específicas, permitiendo herramientas para estudiar funciones y enfermedades específicas. «Esto podría allanar el camino para tratamientos de precisión», destaca Zeng.

«Sabemos que muchas enfermedades se originan en partes específicas del cerebro y probablemente en tipos de células específicos -explica la investigadora-. Con este mapa podemos obtener una visión más precisa de la disfunción de la enfermedad y posteriormente diseñar herramientas genéticas o farmacológicas para atacar esos tipos de células específicas, para lograr una mayor eficacia y efectos secundarios mínimos».

«Este trabajo nos ayuda a establecer una comprensión básica de cómo es el cerebro a nivel celular», afirma Bing Ren, de la Universidad de California-San Diego, y autor de uno de los estudios. «Esto nos permitirá hacer comparaciones entre nuestra línea de base y cerebros con trastornos neurológicos y psiquiátricos. Estudiar el cerebro de esta manera podría ayudarnos a descubrir nuevos enfoques terapéuticos para algunas enfermedades».

«El cerebro no es homogéneo y las enfermedades no afectan a todas las partes del cerebro por igual -explica Ren-. Los datos de esta investigación y de la iniciativa BRAIN en su conjunto nos están ayudando a comprender mejor qué tipos de células se ven afectadas en enfermedades específicas. Esperamos que esto allane el camino para terapias más precisas y dirigidas que puedan curar las células enfermas sin afectar el resto del cerebro».

Es decir, aclara Ren, al entender el lenguaje de las células cerebrales podemos descubrir qué funciona mal en las enfermedades del cerebro.

«Al mapear el cerebro del ratón, el principal sistema de mamíferos utilizado en neurociencia, hemos proporcionado clasificaciones moleculares, funcionales y anatómicas que proporcionan una base clave para el mapeo del cerebro humano, que es lo que viene a continuación», señala Macosko.

Yuste concluye que estos datos no son el final «sino el comienzo del camino». Reconoce que el trabajo tienen limitaciones, «es una foto fija de los genes que estaban activos en un momento dado y no nos dicen cuáles eran importantes». De todas formas, añade, «esta remesa de artículos me recuerda al proyecto del genoma humano, que empezó a inundar las revistas científicas con artículos firmados por decenas de científicos secuenciando genomas, pero con cada vez más precisión y en más especies. Es Big Science, ciencia a nivel ya industrial, como la física de partículas. Santiago Cajal y Rafael Lorente de No deben de estar felices hoy».