Patrones eléctricos en “minicerebros” de laboratorio

Los 'mini cerebros' crecidos en laboratorio producen patrones eléctricos que se parecen a los de los bebés prematuros

Estas estructuras podrían ayudar a los investigadores a estudiar las primeras etapas de los trastornos del desarrollo cerebral, incluidas algunas enfermedades mentales de etiología actualmente desconocida

Un corte transversal de un organoide cerebral muestra neuronas corticales más maduras
 en el borde exterior de la estructura. Imagen: Muotri Lab / UC San Diego

Los "mini cerebros" cultivados en una placa de Petri han producido espontáneamente ondas cerebrales similares a las de los humanos por primera vez, y los patrones eléctricos se parecen a los que muestran los bebés prematuros.

Este descubrimiento podría ayudar a los científicos a estudiar el desarrollo temprano del cerebro. La investigación en esta área ha sido lenta, en parte porque es difícil obtener muestras de tejido fetal para el análisis y es casi imposible examinar un feto en el útero.

Muchos investigadores están entusiasmados con la promesa de estos "organoides" que, cuando se cultivan como cultivos 3D, pueden desarrollar algunas de las estructuras complejas que se ven en los cerebros. Pero la tecnología también plantea preguntas sobre la ética de crear órganos en miniatura que podrían desarrollar una forma de consciencia.

Un equipo de investigadores liderado por el neurocientífico Alysson Muotri de la Universidad de California, indujo a células madre humanas para que formaran tejido de la corteza cerebral, una región del cerebro que controla la cognición e interpreta la información sensorial. Durante 10 meses, cultivaron en el laboratorio  cientos de organoides cerebrales y analizaron células individuales para confirmar que expresaban la misma colección de genes que se expresan en los cerebros humanos en desarrollo típicos. 

Patrones sorprendentes

Muotri y sus colaboradores registraron continuamente los patrones eléctricos, o actividad de electroencefalograma (EEG), a través de la superficie de los mini cerebros. A los seis meses, los organoides se disparaban a una velocidad mayor que otros organoides cerebrales creados anteriormente, para sorpresa de los investigadores.

Los patrones de EEG también fueron inesperados. En los cerebros maduros, las neuronas forman redes sincronizadas que disparan con ritmos predecibles. Pero los organoides mostraban patrones irregulares de EEG que se asemejaban a los estallidos caóticos de actividad eléctrica sincronizada observados en los cerebros en desarrollo. Cuando los investigadores compararon estos ritmos con los EEG de los bebés prematuros, encontraron que los patrones de los organoides imitaban a los de los bebés nacidos entre las 25 y las 39 semanas posteriores a la concepción.

EEG Neonatal

Electroencefalografía (EEG). Imagen: Clinica Mayo

El desarrollo de redes funcionales del cerebro humano es un proceso guiado por programas genéticos y moleculares, conformados por la diversidad celular emergente. Las redes neurales neonatales comparten muchas características con los cerebros adultos, pese a  las diferencias estructurales fundamentales.

A pesar de que las etapas cronológicas de la formación de la red cortical humana todavía no se entienden bien, se supone que las funciones cognitivas emergentes durante la infancia son el resultado de la relación entre diferentes regiones cerebrales y ciertas  señales ambientales. Además, el desarrollo en el útero es vital para el establecimiento de circuitos neuronales y el funcionamiento saludable del cerebro. El segundo y tercer trimestre de la gestación humana es el periodo en que  se forma la red corticotalámica a través de conexiones transitorias de las neuronas GABAérgicas de la subplaca interna del embrión y es también el periodo de la aparición de actividad de red sincronizada.

Los resultados de esta investigación muestran que el desarrollo de la actividad de red estructurada en el neocortex humano puede seguir una programación genética estable, incluso en ausencia de entradas externas o subcorticales. Este enfoque ofrece nuevas oportunidades para investigar y posiblemente modificar  el papel de la actividad de la red en el desarrollo de la corteza cerebral humana.

Los organoides están lejos de ser cerebros humanos reales. No contienen todos los tipos de células que se encuentran en la corteza cerebral y no se conectan con otras regiones del cerebro.

El grupo de investigación de Motri ahora está trabajando para cultivar los organoides durante más tiempo para ver si continuarán madurando. Los investigadores también planean explorar si estas estructuras funcionan como una corteza normal conectándolas a organoides que simulan otras partes del cerebro o del cuerpo.

Comparación de ondas cerebrales

Aunque el trabajo es preliminar, las similitudes con los patrones de EEG en los bebés prematuros sugieren que los organoides podrían eventualmente ser útiles para estudiar trastornos del desarrollo cerebral, como la epilepsia o el autismo.

Asimismo,  estudiar cómo se originan los patrones de EEG en un organoide podría ayudar a los investigadores a comprender cómo surgen los ritmos de EEG en un cerebro humano en desarrollo, así como para identificar genes que son esenciales para la aparición de estos patrones.

Pero no todos los científicos están de acuerdo. El hecho de que las ondas cerebrales de los organoides se parezcan a las de los bebés prematuros no significa que estén haciendo lo mismo, según Sampsa Vanhatalo, neurofisióloga de la Universidad de Helsinki, que desarrolló la base de datos de EEG infantiles con la que Muotri comparó las mediciones de su organoides.

Y demostrar que son lo mismo será difícil porque los investigadores saben muy poco acerca de cómo están conectados los cerebros de los bebés. A los organoides les pueden faltar componentes clave que impulsan los patrones de EEG en cerebros reales.

Orígenes de la consciencia

Además, el proyecto plantea cuestiones éticas sobre si los organoides podrían desarrollar la consciencia, según el neurocientífico Christof Koch, presidente y director científico del Allen Institute for Brain Science. "Cuanto más se acercan al bebé prematuro, más preocupación se genera". Pero reconoce que podría ser difícil saber cuándo un organoide está consciente, ya que los investigadores ni siquiera están de acuerdo en cómo medir la consciencia en los adultos o cuándo aparece en los bebés.

Muotri dice que consideraría detener el proyecto si hubiera evidencia de que los organoides se habían vuelto conscientes de sí mismos, pero en este momento son muy primitivos. "Es una zona muy gris en esta etapa, y no creo que nadie tenga una visión clara del potencial de esto".

Basado en:

https://www.biorxiv.org/content/early/2018/09/03/358622