Descubiertos los circuitos cerebrales que controlan el comportamiento

Los científicos del Instituto  Janelia y del Instituto Allen trabajan conjuntamente, combinando análisis genéticos, mapas anatómicos y estudios detallados de la actividad neuronal para revelar los roles de las neuronas en el control del movimiento.

El cerebro del ratón contiene aproximadamente 80 millones de neuronas, todas agrupadas en un espacio del tamaño de una avellana. Esas células se diferencian en una gran variedad de formas y tamaños, y sus conexiones entre sí son de, al menos, miles de millones.

El cerebro depende de este circuito para interpretar la  información sobre el mundo, aprender de las experiencias y controlar los movimientos. Las células nerviosas que se entremezclan en este espacio reducido forman una red compleja, lo que dificulta que los científicos comprendan qué células son responsables de qué tareas.

Ahora, en dos artículos publicados en la revista Nature, los investigadores del Instituto Janelia y del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro han descubierto cómo dos tipos de células nerviosas entremezcladas se dividen el trabajo para planificar e iniciar movimientos. Al integrar el análisis de las formas, la actividad de los genes y la función de las neuronas, una por una, el equipo ha descubierto qué neuronas son responsables de estos trabajos, distintos, pero estrechamente relacionados.

La combinación de análisis tan extensos representa una gran hazaña técnica, según el líder del grupo de Janelia, Karel Svoboda. Es un nuevo enfoque para entender la función cerebral. El trabajo requirió múltiples equipos de científicos en varios institutos que se unieron para resolver un solo problema. Svoboda cree que este tipo de enfoque será necesario para ayudar a los investigadores a resolver las cuestiones más complejas de la neurociencia.

Las neuronas envían señales a diferentes regiones del cerebro.
Dentro de la corteza motora del cerebro del ratón, un conjunto de neuronas (verde)
envía proyecciones al tálamo,
y otro conjunto (magenta) se proyecta a una región del tronco cerebral llamada médula.
 Imagen: Proyecto MouseLight, Janelia Research Campus

 Un nuevo territorio neural al descubierto

En todo el mundo, los investigadores se han embarcado en la construcción de  mapas neuronales completos para descubrir el funcionamiento  del cerebro.

Los neurocientíficos están explorando las elaboradas redes del cerebro desde muchos ángulos diferentes, registrando estructuras celulares, características moleculares y actividades neuronales. La combinación de esta información dispar para obtener información sobre la función cerebral sigue siendo un desafío sobresaliente.

En Janelia, los científicos en el equipo del proyecto MouseLight han estado determinando la estructura precisa de las neuronas en el cerebro del ratón, una tarea masiva que consiste en rastrear meticulosamente los circuitos nerviosos de las neuronas individuales a través de miles de imágenes del cerebro. Los esfuerzos complementarios en el Instituto Allen están registrando la expresión génica de las neuronas, revelando similitudes y diferencias clave entre ellas y ofreciendo pistas sobre la función celular.

Cerebro tratado con fluorescencia:
Usando una técnica de imágenes de fluorescencia de cerebro completo desarrollada en Janelia,
los científicos capturaron axones de neuronas del tracto piramidal que provenían de la corteza motora.
 Imagen : Proyecto MouseLight, Janelia Research Campus

En este trabajo, los científicos de Janelia, Mike Economo, Sarada Viswanathan, Loren Looger, Svoboda y sus colegas se unieron a los científicos del Instituto Allen para crear perfiles completos de expresión génica de las neuronas dentro del neocórtex del ratón. El neocórtex es la parte más grande del cerebro de los mamíferos responsable de las funciones cognitivas superiores. El equipo se centró en la corteza motora lateral anterior (ALM), un área involucrada en la planificación y ejecución de movimientos.

Los grupos del Instituto Janelia y del Instituto  Allen han estado colaborando durante años, según  Svoboda. Su laboratorio ha trabajado para describir cómo las neuronas corteza motora lateral anterior (ALM) codifican la información y los movimientos de control, y los científicos del Instituto Allen utilizaron una nueva tecnología de secuenciación del ARN de una sola célula para analizar la composición molecular de las neuronas ALM individuales.

Bosiljka Tasic, Hongkui Zeng y sus colegas del Instituto Allen determinaron el conjunto completo de moléculas de ARN, el transcriptoma, presente en cada una de las 23,822 neuronas del neocórtex. Esto generó una imagen completa de qué genes se activaron en cada neurona: aproximadamente 9,000 genes por neurona, en promedio. Dentro del vasto conjunto de datos, los investigadores identificaron más de 130 grupos de neuronas que compartían transcriptomas.

Definición de roles

A continuación, el equipo correlacionó sus hallazgos moleculares con la información estructural obtenida a través del proyecto MouseLight de Janelia.

Patrones de expresión génica:
Los científicos del Instituto Janelia y del Instituto Allen identificaron
 diferentes tipos de células en la corteza motora basándose en los patrones de expresión génica.
 Estos tipos de células se representan como "islas" de colores debajo del cerebro.
Las dos islas circulares definidas en base a las propiedades moleculares
corresponden a los tipos de morfología verde y rosa.
Imagen: Michael Economo, Janelia Research Campus

Los científicos se centraron en las neuronas grandes en la corteza motora lateral anterior (ALM) que llevan la información fuera de la corteza. Dentro de este subconjunto de neuronas, dos grupos de células definidas por sus transcriptomas también compartían características anatómicas. Pero, sus circuitos a otras partes del cerebro son distintos, según descubrió el equipo. Un conjunto se conecta al tronco cerebral, donde residen las neuronas motoras que dirigen al cuerpo a realizar acciones. El segundo conjunto se conecta con el tálamo, una especie de centralita de comunicaciones en el cerebro.

En conjunto, estas células ya han recibido atención de los neurocientíficos porque son particularmente vulnerables a la enfermedad neurodegenerativa. "Pero realmente no se ha apreciado que estas neuronas tengan una característica especial y podrían  desempeñar diferentes funciones", según Economo, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Svoboda.

Para separar esos roles, Economo analizó  cada clase de neuronas  individualmente, manipulando y midiendo la actividad mientras los ratones realizaban una tarea simple: moverse en una dirección particular en un momento determinado. Un grupo de neuronas, las que conectan el corteza motora lateral anterior (ALM) con el tálamo, son cruciales para la planificación de movimientos futuros, revelaron los experimentos. El otro conjunto de neuronas, aquellas que conectan la corteza motora lateral anterior (ALM) con el tronco cerebral, se requieren para iniciar el movimiento. En pocas palabras, los dos tipos de neuronas se dividen en dos clases y tienen comportamientos distintos, según Svoboda. "Estos tipos de neuronas llevan diferentes mensajes a diferentes regiones del cerebro para producir diferentes funciones".

Al reunir múltiples flujos de datos, el equipo pudo aportar claridad al funcionamiento de un circuito complejo.

Los científicos siempre pueden encontrar maneras de dividir las células en grupos, pero en este caso, los grupos ofrecen una imagen clara del papel de cada tipo de célula en la configuración del movimiento. Es un paso clave para desentrañar la complejidad de la corteza cerebral.

Aún no se han explorado las funciones de más de 100 tipos de células definidas molecularmente, solamente en el córtex visual y la corteza motora lateral anterior (ALM), por lo que los científicos tienen mucha complejidad por desentrañar. Pero, con la aceleración de los nuevos instrumentos de investigación en desarrollo y los esfuerzos de mapeo a gran escala, este tipo de decodificación neuronal pronto nos proporcionará mucho mas conocimiento. 

Basado en:

Michael N. Economo, “Distinct descending motor cortex pathways and their roles in movement.” Nature. Published online October 31, 2018.

Bosiljka Tasic,. “Shared and distinct transcriptomic cell types across neocortical areas.” Nature.Published online October 31, 2018.