miércoles, 28 de febrero de 2018

¿Genética o Medio Ambiente?



El análisis de células individuales revela un extenso panorama de cambios genéticos en el cerebro después de una experiencia sensorial




"La  expresión 'Naturaleza y Medio Ambiente' auna bajo dos conceptos distintos los innumerables elementos de que se compone la personalidad. La naturaleza es todo lo que un hombre trae consigo al mundo; Medio Ambiente es toda influencia externa que lo afecta después de su nacimiento." Francis Galton, primo de Charles Darwin, 1874.

¿Es la naturaleza o el medio ambiente  lo que finalmente da forma a un ser humano? ¿Las acciones y los comportamientos son el resultado de los genes o del medio ambiente? Las variaciones de estas preguntas han sido exploradas por innumerables filósofos y científicos a través de milenios. Sin embargo, a medida que los biólogos continúan comprendiendo mejor los mecanismos que subyacen a la función cerebral, es cada vez más evidente que esta dicotomía debatida durante tanto tiempo puede no ser ninguna dicotomía.



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IMAGEN:  Este es un barrido de neuronas de corteza cerebral etiquetadas
 con diferentes colores.
Por Lichman Lab. Harward University

En un estudio publicado en la revista Nature Neuroscience, neurocientíficos de la Facultad de Medicina de Harvard revelan cuán inexorablemente entrelazados están la naturaleza y el medio ambiente en el cerebro del ratón. Utilizando nuevas tecnologías desarrolladas en Harvard, el equipo analizó cómo una única experiencia sensorial afecta la expresión génica en el cerebro mediante el análisis de más de 114,000 células individuales en la corteza visual del ratón antes y después de la exposición a la luz.

Sus hallazgos revelaron un paisaje rico y diverso de cambios en la expresión génica en todos los tipos de células, involucrando 611 genes diferentes, muchos vinculados a la conectividad neuronal y la capacidad del cerebro para reconectarse en el proceso de aprendizaje y adaptación.

Los resultados ofrecen información sobre cómo las ráfagas de actividad neuronal que duran solo milisegundos desencadenan cambios duraderos en el cerebro y abren nuevos campos de exploración para comprender cómo funciona el cerebro.

"Lo que encontramos es, en cierto sentido, sorprendente. En respuesta a la estimulación visual, prácticamente todas las células de la corteza visual responden de una manera diferente", según el coautor Michael Greenberg. "Esto en esencia responde a la pregunta largamente formulada sobre la naturaleza y el medio ambiente: ¿son los genes o el medio ambiente? Son ambos, y así es como se unen"


Desvelando el proceso


Los neurocientíficos han sabido que los estímulos (experiencias sensoriales como el tacto o el sonido, los cambios metabólicos, las lesiones y otras experiencias ambientales) pueden desencadenar la activación de programas genéticos en el cerebro.

Compuesto por una amplia gama de diferentes células, el cerebro depende de una compleja orquesta de funciones celulares para llevar a cabo sus tareas. Los científicos han buscado durante mucho tiempo comprender cómo las células individuales responden a diversos estímulos. Sin embargo, debido a limitaciones tecnológicas, los estudios genéticos previos se centraron principalmente en poblaciones mixtas de células, oscureciendo los matices críticos en el comportamiento celular.

Para construir una imagen más completa, los investigadores dejaron a los  ratones en total oscuridad para calmar la corteza visual, el área del cerebro que controla la visión. Luego expusieron a los ratones a un haz de luz y estudiaron cómo afectaba a los genes dentro del cerebro visual. Utilizando la tecnología desarrollada por el laboratorio de Klein conocida como inDrops, rastrearon qué genes se activaron o desactivaron en decenas de miles de células individuales antes y después de la exposición a la luz.

El equipo encontró cambios significativos en la expresión génica después de la exposición a la luz en todos los tipos de células en la corteza visual, tanto neuronas como, inesperadamente, células no neuronales como astrocitos, macrófagos y células musculares que recubren los vasos sanguíneos en el cerebro.

Aproximadamente del 50 al 70 por ciento de las neuronas excitatorias, por ejemplo, exhibieron cambios independientemente de su ubicación o función. Sorprendentemente, dijeron los autores, una gran proporción de células no neuronales, casi la mitad de todos los astrocitos, por ejemplo, también exhibió cambios. El equipo identificó miles de genes con patrones de expresión alterados después de la exposición a la luz, y 611 genes que tenían al menos el doble de aumentos o disminuciones.

Muchos de estos genes se han relacionado previamente con la remodelación estructural en el cerebro, lo que sugiere que prácticamente toda la corteza visual, incluidas las células de tipos musculares y vasculares, pueden someterse a un recableado controlado genéticamente en respuesta a una experiencia sensorial.

Estos resultados podrían ser la respuesta a la  controversia entre los neurocientíficos sobre si la expresión génica podría controlar funcionalmente la plasticidad o la conectividad entre las neuronas. "Creo que nuestro estudio sugiere que este es el caso, y que cada célula tiene un programa genético único que define  la función de esta célula determinada dentro de un circuito neuronal", según Greenberg.


Una mina de preguntas


Estos hallazgos abren una amplia gama de posibilidades para su posterior estudio, dijeron los autores de la investigación. Por ejemplo, cómo los programas genéticos afectan la función de tipos celulares específicos, cómo varían a lo largo de la vida y cómo la disfunción en estos programas podría contribuir a la enfermedad, lo que podría ayudar a los científicos a aprender más sobre el funcionamiento fundamental del cerebro.

"La experiencia y los estímulos ambientales parecen afectar casi constantemente la expresión génica y la función en todo el cerebro. Esto puede ayudarnos a comprender cómo procesos tales como el aprendizaje y la formación de memoria, que requieren cambios a largo plazo en el cerebro, surgen de los cortos estallidos de actividad eléctrica a través de la cual las neuronas se comunican entre sí ", según Greenberg.

Un área de investigación especialmente interesante, según Greenberg, incluye los elementos reguladores que controlan la expresión de genes en respuesta a la experiencia sensorial. En un artículo publicado en la revista  Molecular Cell, se exploraba la actividad del complejo de proteínas FOS / JUN, que se expresa a través de diferentes tipos de células en el cerebro, pero parece regular programas únicos en cada tipo de célula.

Identificar los elementos reguladores que controlan la expresión génica es fundamental porque pueden explicar las diferencias en la función cerebral de un ser humano a otro, y también pueden ser la base de trastornos como el autismo, la esquizofrenia y la enfermedad bipolar, según los investigadores.

"Estamos sentados en una mina de oro de preguntas que pueden ayudarnos a comprender mejor cómo funciona el cerebro", según  Greenberg. "Y hay todo un campo de exploración a la espera de ser explotado".


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lunes, 12 de febrero de 2018

Lo que diferencia a los humanos de los chimpancés: ¿Diferente ADN o expresión diferente de genes similares?



¿Por qué somos tan diferentes de nuestros parientes más cercanos, los chimpancés? Es realmente desconcertante, ya que parece haber pocas diferencias en la composición del ADN entre nuestras dos especies. Pero los investigadores están analizando esas diferencias con la esperanza de identificar extensiones del genoma exclusivamente humanas que nos ayuden a explicar la gran diferencia existente con  nuestros parientes simios más cercanos.





El tamaño del cerebro de un chimpancé (derecha)
es considerablemente más pequeño que el de un cerebro humano.
 Probablemente múltiples tramos de ADN ayuden a determinarlo,
dicen los genetistas.


Los resultados de algunas investigaciones han informado sobre dos tramos diferentes de ADN exclusivamente humano que parecen contribuir a la construcción de cerebros más grandes, en particular del cerebro humano que es excepcionalmente grande. ¿Podrían  estos tramos diferentes ser la respuesta de  por qué somos tan distintos de esos animales que son genéticamente similares?


Circunvoluciones cerebrales


Un estudio publicado en el 2015, describió un gen que no solo desencadena el crecimiento del cerebro, sino que también puede estimular la creación de pliegues y fisuras en su superficie, que son características del cerebro de los primates y excepcionalmente prominentes en el cerebro humano. La existencia de estos pliegues aumenta el área de la superficie del cerebro, lo que deja más espacio para que aumente el número de neuronas que  procesan y almacenan la información.

Investigadores del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética en Dresde, Alemania, buscaron un gen que es particularmente activo durante el desarrollo de la corteza cerebral, que ocurre muy temprano en la vida. La corteza es la delgada capa externa del tejido cerebral que se cree que es esencial para la memoria y la atención y, específicamente en los humanos, el pensamiento, el lenguaje y la conciencia.

Estos investigadores encontraron este gen al examinar la actividad del genoma en tejido fetal humano y compararlo con tejido de embriones de ratón, identificando 56 genes humanos de los que carecía el ratón. El más activo fue un gen llamado ARHGAP11B, una duplicación parcial de un gen existente. La duplicación surgió en algún momento después de que la evolución humana se separara de la línea que condujo a los chimpancés hace unos 5 o 6 millones de años. Es singularmente humano, y estaba presente en Neandertales  y Denisovanos, nuestros parientes desaparecidos, así como en humanos anatómicamente modernos, como el último Homo Sapiens. (Esos somos nosotros.)

Los investigadores descubrieron la función del gen  ARHGAP11B al insertarlo en ratones transgénicos. Duplicó las células madre corticales de los ratones y aumentó el tamaño de su cerebro.

Sorprendentemente, algunos de los cerebros de estos ratones transgénicos a los que se les había insertado el gen humano,  desarrollaron convoluciones. Pero los ratones no tienen convoluciones cerebrales. Estos pliegues desarrollados por los ratones transgénicos son más bien ondas, nada como las circunvoluciones en los cerebros de los primates, y mucho menos las complejas fisuras del cerebro humano. Pero es un gran descubrimiento.

 


No necesitas un gen específico para generar un gran cerebro


Sin embargo, tenemos que tener  en cuenta lo que Marta Florio, la primera autora del artículo sobre el Gen ARHGAP11B, expuso a una revista americana:  es probable que este gen sea solo uno de los muchos cambios genéticos que hacen que la cognición humana sea especial. No es el único gen necesario para la obtención de un gran y complejo cerebro como el humano.

El hecho es que no se necesita un gen específico para formar un gran cerebro. De hecho, es bastante probable que gran parte del ADN que es crucial para hacer un gran cerebro humano no se presente en forma de genes.

Usamos "gen" en el sentido en que generalmente lo decimos, un tramo de ADN que codifica una proteína. Eso es lo que hace ARHGAP11B. Pero los genes que codifican proteínas ocupan solo un minúsculo uno por ciento del genoma humano. El resto, anteriormente conocido como ADN basura, ahora llamado ADN no codificante, sigue siendo en gran parte un misterio. Pero está claro que gran parte de este ADN, tal vez la mayor parte, se dedica a regular lo que hacen los genes, definiendo, por tanto,  la acción genética.

Por eso, hace cuarenta años, los científicos propusieron que las diferencias fenotípicas entre humanos y chimpancés, esas diferencias dramáticas en la apariencia y el comportamiento, se debían en gran medida a que los humanos desarrollamos nuevas formas de regular nuestros genes en común.

Desde entonces, los investigadores han identificado muchas regiones de ADN que no han cambiado mucho durante la evolución de los mamíferos, incluidos la mayoría de los primates, pero que han experimentado un proceso acelerado de  variaciones, muchas de ellas después de que los primeros homínidos iniciales divergieran de la línea evolutiva que conducía a los chimpancés.

Estos bits de ADN se denominan Regiones Humanas Aceleradas (HAR en ingles). Estas regiones están presentes en nuestros parientes ya desaparecidos, los neandertales y los denisovanos, así como en nosotros, los Homo Sapiens.

Las HARs se encuentran principalmente en ADN no codificante. Eso ha hecho que sus funciones no sean tan fáciles de entender. Pero hay pistas sobre lo que hacen, porque estas regiones  no se dispersan aleatoriamente en el genoma. Las HARs se agrupan cerca de los genes que son importantes en la vida más temprana y en el sistema nervioso central, el cerebro y la médula espinal. Lo cual tiene perfecto sentido, porque nuestros cerebros grandes, y el comportamiento que se origina allí, es lo que nos hace tan diferentes de otras criaturas.

Un artículo publicado por  investigadores de la Universidad de Duke lo ha respaldado, mostrando que la región de ADN no codificante, identificada como HARE5, regula un gen que figura en el desarrollo y el tamaño del cerebro. (La E en HARE significa que esta región de ADN, acelerada en la evolución humana, actúa como un potenciador, lo que significa que mejora la transcripción de un gen asociado).

Aunque, realmente, lo que hace no es mejorar la actuación del gen ARHGAP11B. Nada es tan simple y ordenado en lo que respecta al cerebro humano. Mas bien, regula un gen completamente diferente, uno que tiene un nombre mucho más cautivador: Frizzled-8, Fzd8 para abreviar. Y es que, según la investigadora Marta Florio, son muchos los cambios genéticos han moldeado el cerebro humano.

El HARE5 humano difiere de la versión equivalente de chimpancé en solo unos pocos lugares, pero las consecuencias son enormes. Literalmente enormes. Los investigadores demostraron lo enorme que es  al fabricar ratones transgénicos, algunos con la versión chimpancé de HARE5 y otros con nuestra versión, la humana.


La versión humana de una secuencia de ADN llamada HARE5
 (insertada en este embrión de ratón)
 activó un gen que es importante para el desarrollo del cerebro.
 (La actividad de los genes está teñida de azul).


Los embriones de ratón con HARE5 humano tenían cerebros un  doce por ciento más grandes que los ratones con HARE5 de chimpancé. Los cerebros de ratones comienzan a desarrollarse en el noveno día de vida embrionaria. El HARE5 humano parece hacer que las células madre que se convertirán en neuronas se dividan más rápido y, por lo tanto, genera una mayor cantidad de ellas.



Los embriones de ratones transgénicos revelan que la versión humana (Hs, derecha) de HARE5
conduce a un desarrollo del cerebro más temprano y más grande que la versión de chimpancé


En este trabajo es la primera vez que los científicos muestran una conexión directa entre un HAR y un resultado funcional, en este caso un efecto dramático en la anatomía del cerebro.

"Creo que HARE5 es solo la punta del iceberg", comentó uno de los investigadores. "Es probablemente una de las muchas regiones que explica por qué nuestros cerebros son más grandes que los de los chimpancés".


¿Un gran cerebro cambia el comportamiento?


Aún más interesante es la cuestión de si el gen ARHGAP11B y el HARE5 humano hacen algo más que agrandar el cerebro. ¿Producen también cambios en el comportamiento y la cognición? ¿Sus cerebros más grandes harán que estos ratones transgénicos sean más inteligentes? Las pruebas están en marcha para verificarlo en el laboratorio.

Lo cual plantea una pregunta ética. ¿Podrían, o deberían los descubrimientos como este ser usados ​​eventualmente para crear animales más inteligentes?. Ruth Faden, especialista en bioética del Centro Johns Hopkins, cree que es una preocupación exagerada. Aún así, dijo, "es inquietante la perspectiva de, más o menos, derribar las barreras entre los seres humanos y otras especies no humanas en formas que realmente amenazan nuestra percepción de nosotros mismos como algo sumamente especial ".


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jueves, 1 de febrero de 2018

Olor y sabor






La relación entre los sentidos del gusto y el olfato nos ayudan a interpretar el mundo químico, aunque a la mayoría de nosotros nos resulte poco intuitivo.




El gusto y el olfato son sentidos diferenciados, con sus propios órganos receptores, pero están íntimamente entrelazados. Los sabores, generados por los químicos en los alimentos, son detectados por las papilas gustativas, que consisten en células sensoriales especiales. Cuando se estimulan, estas células envían señales a áreas específicas del cerebro, lo que nos hace conscientes de la percepción del gusto. Del mismo modo, las células especializadas en la nariz recogen odorantes, moléculas de olor en el aire. Los olores estimulan las proteínas receptoras que se encuentran en cilios similares a pelos en las puntas de las células sensoriales, un proceso que inicia una respuesta neural. En definitiva, los mensajes sobre el gusto y el olfato convergen, lo que nos permite detectar los sabores de los alimentos.





Diagram of taste and smell receptors
Diagrama de receptores de olor y sabor
Imagen: Lydia V. Kibiuk, Baltimore, MD; Devon Stuart, Harrisburg, PA




Así como el sonido es la percepción de los cambios en la presión del aire y la vista, la percepción de la luz, los sabores y los olores son la percepción de los químicos en el aire o en nuestros alimentos. Estos sentidos de olor y sabor, separados con sus propios órganos receptores, están, sin embargo, íntimamente entrelazados.

Esta estrecha relación es más evidente en la forma en que percibimos los sabores de los alimentos. Como puede atestiguar cualquier persona con un resfriado, la comida "sabe" diferente cuando el sentido del olfato se ve afectado. En realidad, lo que realmente se está viendo afectado es el sabor de la comida o la combinación de sabor y olor. Eso se debe a que solo se detectan los sabores, no los olores de los alimentos. El gusto en sí mismo se centra en distinguir los productos químicos que tienen un sabor dulce, salado, agrio, amargo o umami. Sin embargo, las interacciones entre los sentidos del gusto y el olfato realzan nuestras percepciones de los alimentos que comemos.

Los sabores, los químicos en los alimentos, son detectados por las papilas gustativas, estructuras especiales incrustadas dentro de pequeñas protuberancias en la lengua llamadas papilas. Otras papilas gustativas se encuentran en la parte posterior de la boca y en el paladar. Cada persona tiene entre 5,000 y 10,000 papilas gustativas. Cada papila gustativa consta de 50 a 100 células sensoriales especializadas, que son estimuladas por estimulantes tales como azúcares, sales o ácidos. Cuando se estimulan las células sensoriales, hacen que las señales se transfieran a los extremos de las fibras nerviosas, que envían impulsos a lo largo de los nervios craneales a las regiones del sabor en el tronco encefálico. A partir de aquí, los impulsos se transmiten al tálamo y a un área específica de la corteza cerebral, lo que nos hace conscientes de la percepción del gusto.

Las moléculas de olor en el aire, llamadas odorizantes, son detectadas por neuronas sensoriales especializadas ubicadas en un pequeño parche de membrana mucosa que recubre el techo de la nariz. Los axones de estas células sensoriales pasan a través de perforaciones en el hueso que los recubre y entran en dos bulbos olfatorios alargados que yacen en la parte inferior del lóbulo frontal del cerebro.

Los olores estimulan las proteínas receptoras que se encuentran en cilios similares a pelos en las puntas de las células sensoriales, un proceso que inicia una respuesta neural. Un odorante actúa sobre más de un receptor, pero lo hace en diversos grados. De manera similar, un solo receptor interactúa con más de un odorante diferente, aunque también en diversos grados. Por lo tanto, cada odorante tiene su propio patrón de actividad, que se establece en las neuronas sensoriales. Este patrón de actividad se envía al bulbo olfatorio, donde otras neuronas se activan para formar un mapa espacial del olor. La actividad neuronal creada por esta estimulación pasa a la corteza olfativa primaria en la parte posterior del área inferior, u orbital, del lóbulo frontal. La información olfativa luego pasa a las partes adyacentes de la corteza orbital, donde la combinación de información de olor y sabor ayuda a crear la percepción del sabor.