sábado, 8 de septiembre de 2018

Encontrados genes únicos en los humanos ligados a cerebros más grandes





cortical organoid

Organoide cortical, que muestra las células madre gliales radiales (verde)
 y las neuronas corticales (rojas).
Imagen: Sofie Salama, Universidad de California, Santa Cruz


Al buscar la respuesta biológica a la pregunta de qué significa ser humano, la corteza cerebral es un buen lugar para comenzar. Esta capa externa densamente plegada de materia gris, que es mucho más grande en Homo sapiens que en otros primates, desempeña un papel esencial en la conciencia, el lenguaje y el razonamiento humanos.

Ahora, un equipo de investigadores  ha identificado un conjunto clave de genes, que se encuentran solo en humanos, y que pueden ayudar a explicar por qué nuestra especie posee una corteza cerebral tan grande. La evidencia experimental muestra que estos genes prolongan el desarrollo de células madre que generan neuronas en la corteza cerebral, lo que a su vez permite que el cerebro humano produzca neuronas corticales más maduras y, por lo tanto, construya una corteza cerebral más grande que nuestros compañeros primates.

Eso suena como una gran ventaja para los humanos. Pero hay un inconveniente. Los investigadores encontraron que los mismos cambios genómicos que facilitaron la expansión de la corteza humana, también pueden hacer que nuestra especie sea más susceptible a ciertos trastornos raros del neurodesarrollo.

Esta notable historia de descubrimiento comenzó en 2012 cuando Frank Jacobs, un investigador postdoctoral que trabajaba con David Haussler y Sofie Salama en la Universidad de California, Santa Cruz, desarrolló pequeños grumos  de corteza cerebral en placas  de laboratorio. Jacobs estimuló a las células madre gliales radiales de los humanos y los macacos rhesus para que se diferenciaran en neuronas corticales. Esas neuronas corticales llegaron a formar grumos de corteza de múltiples capas, que han sido llamados organoides corticales. El objetivo era examinar la actividad de los genes dentro de los organoides en desarrollo en busca de diferencias notables entre los cerebros de los seres humanos y de los macacos.

Un lugar obvio para mirar eran los llamados genes de señalización Notch, conocidos desde hace mucho tiempo por su papel en el desarrollo del cerebro. Jacobs notó que la señal de Notch parecía ser más fuerte y más prolongada en humanos que en los organoides de macaco en las primeras semanas de desarrollo. Aún más intrigante fue un gen, llamado NOTCH2NL. Si bien es muy activo en los organoides humanos en desarrollo, ese gen faltaba por completo en los macacos.


Como se publicó recientemente en la revista Cell, el equipo de Haussler descubrió que NOTCH2NL reside en el brazo largo del cromosoma 1. Esta región del cromosoma se conoce como un sitio de defectos genéticos asociados con trastornos conocidos colectivamente como síndromes de duplicación o microdeleción 1q21.1. 

Los estudios han demostrado que las copias adicionales de ADN en esta región se asocian con macrocefalia (cabeza y cerebro anormalmente grandes) y trastorno del espectro autista, mientras que las eliminaciones conducen a microcefalia (cabeza y cerebro anormalmente pequeños) y esquizofrenia. Eso parecía encajar con lo que el equipo de Haussler sabía sobre NOTCH2NL. Pero había un problema: la secuencia de referencia del anteproyecto genético humano, completada hace unos 15 años como parte del Proyecto Genoma Humano y actualizada periódicamente, colocaba el gen NOTCH2NL recién descubierto cerca, pero no dentro, de esta irritante  porción del genoma.

Pero tras una resecuenciación  del genoma, esta porción particular del genoma humano se descubrió que incluía secuencias altamente repetitivas, lo que hace que la secuenciación exacta sea especialmente difícil. Y, resultó que este es uno de esos casos inusuales en los que la secuencia de referencia humana había sido incorrecta. NOTCH2NL se encuentra dentro del tramo de ADN duplicado o eliminado en personas con síndromes 1q21.1.

De hecho, como ahora informan Haussler y sus colegas, el genoma humano incluye tres copias casi idénticas de NOTCH2NL. Los llaman NOTCH2NL A, B y C. La nueva evidencia muestra que esas copias de genes duplicados surgieron de una copia original de NOTCH2 (uno de los cuatro genes Notch de mamíferos previamente conocidos) que apareció hace unos 10 millones de años en el ancestro común de los humanos, chimpancés y gorilas.

Al principio, ese duplicado parcial era completamente no funcional. Pero, en el linaje humano, esa copia inútil del gen extra se reescribió o se "corrigió " usando el NOTCH2 original como plantilla, dando al Homo una copia de trabajo adicional que no se encuentra en otros primates. Este nuevo gen  Notch se duplicó posteriormente dos veces más en los últimos millones de años, en paralelo a  la evidencia fósil que muestra que el cerebro humano continuó evolucionando y expandiéndose.

En otra serie de experimentos, el equipo de Haussler usó la herramienta de edición de genes CRISPR / Cas9 para eliminar los genes NOTCH2NL de las células madre humanas. Cuando esas células editadas se usaron para cultivar organoides corticales, las células madre se diferenciaron y maduraron más rápido para producir organoides más pequeños. Cuando los genes se insertaron en células de ratón embrionarias, aumentaron la señal de Notch para retrasar la maduración neural. Un artículo complementario en el mismo número de la revista  Cell dirigido por un equipo de Bélgica también ofrece evidencia altamente complementaria para el papel de NOTCH2NL en la expansión de la corteza cerebral en los seres humanos.

Se sabe que las personas con duplicaciones o eliminaciones en la región 1q21.1 tienen una amplia gama de síntomas neurológicos, que incluyen TDAH, trastorno del espectro autista, discapacidades intelectuales y ansiedad. Algunos también tienen microcefalia o macrocefalia. A pesar de ser un gen muy estudiado, con anterioridad  no se había considerado el papel fundamental del gen NOTCH2NL en estos trastornos debido a ese error en la secuenciación del genoma humano de referencia, que colocó el gen fuera del área relevante.

Para explorar más esta posibilidad, los investigadores volvieron a analizar los  datos que mostraban variaciones en el número de copias de genes en 11 pacientes con microcefalia o macrocefalia que previamente no habían podido ser  explicados. Descubrieron que a los nueve pacientes con microcefalia les faltaban una o más copias de NOTCH2NL. Los dos pacientes con macrocefalia mostraron todo lo contrario: copias adicionales de NOTCH2NL.


Resultado de imagen de NOTCH2NL
Evolución del NOTCH2NL
El NOTCH2NL en el desarrollo cortical temprano
Variación en el número de copias en los desordenes 1q21.1


Curiosamente, los datos de secuenciación de ADN también mostraron que estos genes NOTCH2NL varían incluso en personas sanas. Haussler dice que su equipo ha encontrado hasta ahora ocho versiones diferentes del gen NOTCH2NL, y seguramente hay más. También está claro que algunas personas, como los padres de niños con síndromes 1q21.1, probablemente llevan deleciones o duplicaciones en los genes NOTCH2NL sin ningún síntoma neurológico aparente.

En otras palabras, hay mucho más para aprender sobre las variaciones en estos genes y sus efectos sobre la estructura y función de nuestros cerebros. También hay muchos más genes para estudiar y explorar de manera similar. Cuando se trata de nuestra comprensión del cerebro humano, estamos en  un momento absolutamente extraordinario.


Basado en:

Human-specific NOTCH2NL genes affect Notch signaling and cortical neurogenesis.  Fiddes IT, Lodewijk GA, Mooring M, Bosworh CM, Ewing AD, Salama SR, Jacobs FMJ, Haussler D, et al. Cell. 2018 May 31;173(6):1356-1369.

Human-specific NOTCH2NL genes expand cortical neurogenesis through Delta/Notch regulation.  Suzuki IK, Gacquer D, Van Heurck, Kumar D, Wonjo M, Bilheu A, Herpoel A, Lambert N, Cheron J, Polleux F, Detours V, Vanderhaeghen P. Cell. 2018 May 31;173(6):1370-1384.

sábado, 25 de agosto de 2018

¿Dulce o salado?




¿Alterar la actividad en el centro emocional del cerebro puede eliminar el antojo natural por lo dulce?





Una nueva investigación en ratones ha revelado que el deseo subyacente del cerebro por lo dulce, y su desagrado por lo amargo, se pueden eliminar mediante la manipulación de las neuronas en la amígdala, el centro de la emoción del cerebro.

El estudio mostró que eliminar la capacidad de un animal para ansiar o despreciar un sabor no tuvo impacto en su capacidad para identificarlo. Los resultados sugieren que el complejo sistema del gusto del cerebro, que produce una serie de pensamientos, recuerdos y emociones cuando degustamos alimentos,  está formado en realidad por unidades discretas que se pueden aislar de forma individual, modificándolas o eliminándolas  por completo. La investigación apunta a nuevas estrategias para comprender y tratar los trastornos de la alimentación, incluida la obesidad y la anorexia nerviosa.

La investigación se publicó en la revista científica  Nature.

"Cuando nuestro cerebro detecta un sabor, no sólo identifica su calidad, sino que provoca un sinfín de señales neuronales que vinculan esa experiencia a su contexto, el valor hedónico, los recuerdos, las emociones y los demás sentidos, para producir una respuesta coherente", según Charles Zuker S., investigador principal en el Instituto del Comportamiento de Columbia y autor principal del artículo.

El estudio expuesto se basa en los primeros trabajos del Dr. Zuker y su equipo para mapear el sistema de sabor del cerebro. Anteriormente, los investigadores revelaron que cuando la lengua se encuentra con uno de los cinco sabores - dulce, agrio, salado, amargo o umami – las células especializadas en la lengua envían señales a las regiones especializadas del cerebro con el fin de identificar el sabor, y provocar  las acciones y comportamientos apropiados.


Agrio, Salado, Amargo, Umami, Dulce


Para arrojar luz sobre esa experiencia, los científicos se centraron en el  sabor dulce y amargo y en la amígdala, una región del cerebro conocida por su importancia para hacer juicios de valor acerca de la información sensorial. Investigaciones anteriores del Dr. Zuker, profesor en la Universidad de Columbia, y de otros investigadores, habían mostraron que la amígdala se conecta directamente a la corteza neuronal que se correlaciona con el sentido del gusto.






"Nuestro trabajo anterior reveló una clara división entre las regiones dulces y amargas de la corteza cerebral", dijo Li Wang,  investigador postdoctoral en el laboratorio de Zuker y primer autor del artículo. "Este nuevo estudio demostró que la misma división continuó hasta el final en la amígdala. Esta segregación entre las regiones dulces y amargas, tanto en la corteza correlacionada con el sabor, como en la amígdala, significa que estas regiones del cerebro se podrían manipular de forma independiente y controlar cualquier cambio resultante en el comportamiento."

Los científicos realizaron varios experimentos en los que las conexiones desde las neuronas relacionadas con el sabor dulce o amargo hasta la amígdala se modificaron  artificialmente, al igual que si utilizáramos un  interruptor de la luz. Cuando las conexiones dulces se activaron, los animales respondieron al agua como si fuera azúcar. Y mediante la manipulación de los mismos tipos de conexiones, los investigadores pudieron  incluso cambiar la calidad percibida de un sabor, transformando el sabor dulce en aversivo, o el sabor amargo en atractivo.

Como contraste, cuando los investigadores desactivaron  las conexiones de la amígdala, pero dejaron intacta la parte de la corteza cerebral correlacionada con el sabor, los ratones todavía podían reconocer y distinguir el sabor dulce del amargo, pero ahora carecían de las reacciones emocionales básicas, como la preferencia por el azúcar o la aversión a lo amargo.

"Sería como tomar un bocado de su pastel de chocolate favorito, pero sin que se derivara ningún placer" según el Dr. Wang. "Tras unos bocados, podría dejar de comerlo, sin sentir la ansiedad de acabártelo hasta las migajas”.

Por lo general, la identidad de un alimento y el placer que se siente  al comerlo se entrelazan. Pero los investigadores demostraron que estos componentes pueden aislarse entre sí y luego manipularse por separado. Esto sugiere que la amígdala podría ser  un área con un enfoque prometedor al buscar estrategias para tratar los trastornos alimentarios.

En el futuro inmediato, los Dres. Zuker y Wang se dedicarán a explorar regiones cerebrales adicionales que desempeñan papeles críticos en el sistema del gusto. Por ejemplo, la corteza del sabor también se vincula directamente a las regiones involucradas en las acciones motoras, el aprendizaje y la memoria.

"Nuestro objetivo es obtener el mapa completo de cómo esas regiones añaden significado y contexto al gusto", según el Dr. Wang. "Esperamos que nuestras investigaciones ayuden a descifrar cómo el cerebro procesa la información sensorial y como enriquece nuestras experiencias sensoriales."


Basado en: Li Wang, Sarah Gillis-Smith, Yueqing Peng, Juen Zhang, Xiaoke Chen, C. Daniel Salzman, Nicholas J. P. Ryba, Charles S. Zuker. The coding of valence and identity in the mammalian taste systemNature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0165-4






sábado, 18 de agosto de 2018

El Sinaptoma: Un nuevo mapa cerebral obtenido en ratón, tan específico como para permitir rastrear la formación de los pensamientos





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Aún no tenemos un mapa astronómico de los cielos con el detalle de todas sus estrellas, sin embargo, gracias a un estudio trascendental publicado  en Neuron, ahora ya tenemos  uno de un  cerebro muy complejo.

Si cada neurona fuera una galaxia, entonces las sinapsis (estructuras pequeñas diseminadas a lo largo de las extensiones serpentinas de las neuronas) serían  sus estrellas. En un tour-de-force técnico, un equipo de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido construyó el primer mapa detallado de cada sinapsis existente en el cerebro del  ratón.

Usando ratones genéticamente modificados, el equipo literalmente hizo que cada sinapsis del cerebro se iluminara con luz fluorescente al igual que una  noche estrellada. Y, al igual que difieren las estrellas, el equipo descubrió que las sinapsis son muy variadas, pero siguiendo unos patrones sorprendentes  que podrían respaldar la formación tanto de  la memoria como del pensamiento.

"Hay más sinapsis en el cerebro humano que estrellas en la galaxia. El cerebro es el objeto más complejo que conocemos y entender sus conexiones a este nivel es un gran paso adelante para desentrañar sus misterios ", expuso  el Dr. Seth Grant autor principal de la publicación.

El detalle de los mapas obtenidos reveló una ley fundamental de la actividad cerebral. Con la ayuda de la Inteligencia Artificial, el equipo clasificó aproximadamente mil millones de sinapsis, detectadas en el cerebro, en 37 subtipos. Aquí está la clave: cuando un  conjunto de neuronas recibe información mediante activación eléctrica, tal como tratar de decidir entre diferentes soluciones para un problema, los subtipos únicos de sinapsis repartidos entre diferentes neuronas se activan a la vez.

En otras palabras: las sinapsis se diferencian en tipos. Y cada tipo podría generar un pensamiento, una decisión o un recuerdo.

 


El Conectoma


El interés del equipo en la construcción del "sinaptoma" -el primer catálogo completo de sinapsis en el cerebro del ratón- provino de un proyecto mucho más grande: el Conectoma.

En pocas palabras, el Conectoma son todas las conexiones neuronales dentro de un cerebro. Según lo expresa el Dr. Sebastian Seung en una charla de TED, el conectoma es la base biológica de lo que somos: los recuerdos, la personalidad, y cómo se razona y se piensa. Si se captura el conectoma de un ser vivo,  algún día los científicos podrán reconstruirlo, algo que se conoce como emulación cerebral completa.

Sin embargo, el conectoma solo describe cómo las neuronas se comunican funcionalmente entre sí. ¿Pero en qué parte del cerebro está físicamente codificado un pensamiento o un recuerdo?

Y aquí entran las sinapsis. Los neurocientíficos saben desde hace tiempo que las sinapsis transmiten información entre las neuronas mediante neurotransmisores y electricidad. También ha habido indicios de que las sinapsis son muy diversas en términos de qué proteínas contienen, pero tradicionalmente esta diversidad habia sido ignorada. Hasta hace poco, la mayoría de los científicos creían que el tratamiento de la información  ocurría en el cuerpo neuronal, la parte central de una neurona desde la cual se extienden las ramas.

Hasta ahora, no se tenía una forma de ver la morfología y la función de las sinapsis en todo el cerebro, según los investigadores. Mas bien, la investigación se había centrado en el mapeo en pequeñas áreas de estos puntos de conexión cruciales.


 MAPA DE LAS SINAPSIS O SINAPTOMA


Para construir el sinaptoma de ratón, los investigadores desarrollaron una estrategia que denominaron SYNMAP. Comenzaron con ratones genéticamente modificados, cuyas sinapsis brillan en diferentes colores. Cada sinapsis contiene en su estructura  proteínas que las diferencian. Entre ellas, las proteínas denominadas PSD-95 y SAP102 son dos de los miembros más destacados. Los investigadores  agregaron proteínas con luminiscencia a estos dos tipos de proteínas para que esencialmente actuaran como antorchas para iluminar cada sinapsis en el cerebro.


Synaptome Mapping Pipeline
Estrategia del mapeo del sinaptoma:  El equipo primero modificó el genoma del ratón generando sinapsis
 que aparecían brillantes 
 bajo luz fluorescente.



Luego, cortaron laboriosamente el cerebro en rodajas, y usaron un microscopio para capturar imágenes de sinapsis en diferentes regiones cerebrales y reconstruyeron la anatomía cerebral a partir de las imágenes obtenidas.

Una imagen de un conjunto de sinapsis aparece como un mapa estelar densamente empaquetado a ojos de una persona  inexperta. Categorizar cada sinapsis va más allá de la capacidad (y del tiempo disponible) de cualquier investigador humano, por lo que el equipo aprovechó las nuevas técnicas de Inteligencia Artificial  y desarrolló un algoritmo que podía analizar estos datos (más de 10 terabytes) sin supervisión humana.


 Un Conectoma  Físico


Desde el principio, el equipo quedó impresionado por los "patrones exquisitos" que formaban las sinapsis luminiscentes. Una proteína, etiquetada como PSD-95, se expresó con intensidad en las regiones más exteriores del cerebro donde ocurren las  funciones cognitivas superiores. Aunque hay superposición, la otra proteína luminiscente  utilizada prefirió regiones mas interiores del cerebro.


Whole-Brain-Scale Mapping
Mapeo de escala cerebral completa:
Las imágenes de microscopio que muestran las dos proteínas de sinapsis luminiscentes,
 PSD-95 y SAP102, en distintas secciones del cerebro.

Cuando examinaron con detalle las imágenes obtenidas, los investigadores descubrieron que las dos proteínas luminiscentes representaban diferentes conjuntos de sinapsis. Cada región del cerebro expresaba una "firma de sinaptoma" característica. Al igual que las huellas dactilares que difieren en forma y tamaño, las varias regiones cerebrales también parecían contener sinapsis que difieren en su composición, tamaño y número de proteínas.

Utilizando un algoritmo de Inteligencia artificial desarrollado internamente, el equipo clasificó las sinapsis en 37 subtipos. Sorprendentemente, las regiones del cerebro relacionadas con el razonamiento superior y las capacidades de pensamiento también contenían la población de sinapsis más diversa, mientras que las "regiones de cerebro de reptiles", como el tronco cerebral, eran más uniformes en el subtipo de sinapsis.


Synaptome dominant subtype maps
Mapas de subtipos dominantes de Sinaptoma: 
Un gráfico de una sección transversal del cerebro
 que muestra algunos de los subtipos de sinapsis más comunes en cada área.
 Cada color representa un subtipo de sinapsis diferente. 
El recuadro enmarca el hipocampo.

 


¿Por qué?


Para dilucidar si la diversidad de las sinapsis ayuda con el procesamiento de la información, el equipo utilizó simulaciones por ordenador para ver cómo las sinapsis responderían a los patrones eléctricos comunes dentro del hipocampo, la región en forma de caballito de mar crucial para el aprendizaje y la memoria. El hipocampo fue una de las regiones que mostró una diversidad notable en los subtipos de sinapsis, con cada uno de los subtipos expresándose en patrones llamativos a través de esta estructura cerebral.

Sorprendentemente, cada tipo de procesamiento de información eléctrica se traduce en un mapa de sinaptoma único: si cambia el impulso eléctrico, cambia el sinaptoma. Ello sugiere que el cerebro puede procesar información eléctrica múltiple usando la misma región del cerebro, porque se activan diferentes sinaptomas.

El equipo encontró resultados similares al analizar los  patrones eléctricos registrados en ratones que intentaban elegir entre tres opciones para obtener una recompensa. Se iluminaron diferentes sinaptomas si la elección era correcta versus la elección incorrecta. Al igual que un mapa en pensamientos internos, los sinaptomas dibujaron una imagen vívida de lo que el ratón estaba pensando cuando hizo su elección.



Synaptome map function behavior and physiology

Comportamiento y fisiología de la función del mapa de sinaptoma:
 Cada comportamiento activa un sinaptoma particular.
 Cada sinaptoma es como una huella digital única de un proceso de pensamiento.


Reprogramación del Sinaptoma


Al igual que con un programa de ordenador, un sinaptoma parece subyacer a un resultado: una decisión o pensamiento. Entonces, ¿qué pasa si el código está corrompido?

Las enfermedades psiquiátricas a menudo tienen causas genéticas que afectan a las proteínas en la sinapsis. Usando ratones que mostraban síntomas similares a la esquizofrenia o el autismo, el equipo mapeó su sinaptoma y descubrió cambios dramáticos en la estructura y conexión de los diversos subtipos de sinapsis del cerebro.

Por ejemplo, en respuesta a ciertos patrones eléctricos cerebrales normales, en los ratones mutantes, con enfermedades psiquiátricas provocadas, algunos mapas de sinaptomas solo surgieron débilmente, mientras que otros se volvieron anormalmente fuertes.



Synaptome reprogramming
Reprogramación de Sinaptoma:
Las mutaciones pueden cambiar el sinaptoma
 y conducir potencialmente a trastornos psiquiátricos



Parece que ciertas enfermedades psiquiátricas "reprograman" el sinaptoma, concluyeron los investigadores. Los mapas de sinaptoma más fuertes o distintos podrían, de hecho, ser la razón por la cual los pacientes con esquizofrenia experimentan delirios y alucinaciones.


Entonces, ¿somos nuestro  Sinaptoma?


Quizás. Nuestra esencia, esto es, nuestros recuerdos, o nuestros patrones de pensamiento, parece estar grabada en cómo las diversas sinapsis se activan en respuesta a un estímulo eléctrico. Al igual que una huella dactilar para recuerdos y decisiones, los sinaptomas podrían "leerse" a posteriori, para descifrar ese pensamiento.

Pero como reconocen los investigadores, el estudio es solo el comienzo. Junto con la publicación científica, el equipo lanzó una herramienta llamada Synaptome Explorer para ayudar a los neurocientíficos a analizar las  intricadas conexiones entre las sinapsis y el comportamiento.

"Este nueva forma de analizar el cerebro abre nuevas vías a  investigaciones  que deberían transformar nuestra comprensión del comportamiento y la enfermedad cerebral" según Grant. 




sábado, 4 de agosto de 2018

Identificada la parte del cerebro que controla el tono de nuestra voz




Ya sea que se esté emitiendo una nota alta, declamando una frase en público, o leyendo un cuento para dormir a un niño, el tono de nuestras voces es una parte vital de la comunicación humana. Ahora, como parte de la búsqueda constante de producir una imagen dinámica de la función neuronal en tiempo real, los investigadores que participan en el proyecto BRAIN de los Institutos Nacionales de la Salud americanos,  han identificado la parte del cerebro que controla el tono vocal.

Esta mejor comprensión de cómo el cerebro humano regula el tono de los sonidos que emanan de la garganta, o específicamente de la laringe, es algo más que neurociencia puntera. Podría ser fundamental en el desarrollo de tecnologías nuevas y más naturales para ayudar a las personas que tienen trastornos del habla o a quienes se les ha extirpado la laringe debido a una lesión o enfermedad.




Nuestra capacidad de hablar está controlada en la corteza sensitívomotora, parte de la corteza cerebral. Pero el cómo el complejo sensorial-motor orquesta el proceso físico del habla humana, desde los movimientos de nuestros labios hasta las vibraciones en nuestras laringe, se desconocía hasta ahora.

Si bien puede ser treméndamente complicado tratar de trazar un proceso tan complejo en el cerebro humano, los miembros del laboratorio de Edward Chang en el Centro de Epilepsia de la Universidad de California en San Francisco se encuentran en una posición ideal para hacerlo. Eso se debe a que Chang, un neurocirujano, realiza operaciones con regularidad para eliminar el tejido cerebral inductor de convulsiones de las personas con epilepsia.

Chang se prepara para esas operaciones colocando matrices de alta densidad de pequeños electrodos directamente sobre la superficie del cerebro de sus pacientes. Este método, conocido como electro-corticografía o ECoG, ayuda a identificar las ubicaciones precisas en el cerebro donde se desencadenan las convulsiones. También se usa para identificar otras áreas importantes del cerebro, incluidas las relacionadas con el lenguaje, para garantizar que no se dañen accidentalmente durante la cirugía.

En el primero de dos estudios recientes, éste dirigido por el estudiante de posgrado Josh Chartier y publicado en la revista Neuron, Chang pidió a los pacientes que necesitaban cirugía para tratar su epilepsia, que leyeran cientos de oraciones cuidadosamente construidas mientras esos sensores de ECoG se colocaban sobre la superficie de sus cortezas sensitivomotoras . El estudio reveló por primera vez cómo las neuronas coordinan los movimientos de casi 100 músculos en los labios, la lengua, las mandíbulas y la laringe a medida que la gente produce el habla.



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En el segundo estudio, dirigido por el estudiante de posgrado Benjamin Dichter y recién publicado en la revista Cell, el equipo de Chang estudió los cambios en el tono vocal al analizar con más profundidad  las conexiones entre el cerebro y la laringe. Dieron por supuesto que los humanos varían el tono, tal como se ajusta un instrumento,  mediante el control de la tensión de los músculos que se mueven a través de los pliegues vocales de la laringe. También sabían que nuestros cerebros controlan estos movimientos sin que nos demos cuenta.

El equipo de Chang pidió a 12 pacientes voluntarios que estaban a la espera de ser operados,  que dijeran una frase bastante peculiar: "Nunca dije que me robó mi dinero". Luego se les ordenó cambiar el significado de la oración al alterar el tono de sus voces y enfatizar una palabra específica. Por ejemplo, "Nunca dije que me robó mi dinero", "Nunca dije que me robó mi dinero" y "Nunca dije que me robó mi dinero". Si lo hacemos nosotros, veremos que, de forma natural, tendemos  a elevar el tono, así como el volumen de la palabra que se enfatiza.) Mientras los participantes inflexionaban sus voces, los investigadores usaron conjuntos de ECoG para registrar la actividad neuronal en las áreas del cerebro que procesan el habla.

Sus estudios mostraron que algunas neuronas en el área de la corteza sensitivomotora, que controla la laringe, se activaban cada vez que los voluntarios enfatizaban diferentes palabras en una oración. Esta área, llamada corteza motora laríngea dorsal, fue más activa cuando el tono de un hablante alcanzaba su pico. Sus estudios también mostraron que un grupo distinto de neuronas en la corteza motora laríngea dorsal controla los sonidos producidos por la laringe, mientras que otras neuronas controlan las variaciones en el tono vocal.

En un notable conjunto de experimentos en más de 80 pacientes voluntarios, los investigadores estimularon selectívamente las neuronas en la corteza motora laríngea dorsal mientras registraban la activación de los músculos en la laringe. Identificaron sitios específicos allí que activaban, sin ninguna duda,  los músculos de la laringe. De hecho, 20 personas respondieron a la estimulación cerebral haciendo, de forma totalmente involuntaria,  vocalizaciones audibles.

Los investigadores también encontraron actividad cerebral similar cuando los participantes variaban su tono mientras cantaban. Esto indica que el tono vocal se controla de manera similar tanto en el habla como en el canto. Además, esas mismas áreas del cerebro se activaron cuando los participantes escucharon en silencio el sonido de sus propias voces. Los investigadores sugieren que podría explicar cómo las personas imitan el habla, incluido el tono, de otra persona.

Estas capacidades humanas para el lenguaje, la música y la canción no solo son fascinantes, sino que también son fundamentales para lo que somos y para nuestro bienestar. Y también pueden tener importantes consecuencias terapéuticas. De hecho, el NIH está comprometido en una asociación con The Kennedy Center para explorar las conexiones entre la música, la salud y el bienestar, en un programa al que han llamado Sound Health.
En un futuro, estas investigaciones pueden dar lugar a tecnologías que proporcionen voces sintéticas de gran realismo a aquellas personas que por enfermedad o accidente, no disponen de esta capacidad.

Basado en:

[1] The Control of Vocal Pitch in Human Laryngeal Motor Cortex. Dichter BK, Breshears JD, Leonard MK, Chang EF. Cell. 2018 Jun 28;174(1):21-31.e9.
[2] Encoding of Articulatory Kinematic Trajectories in Human Speech Sensorimotor Cortex. Chartier J, Anumanchipalli GK, Johnson K, Chang EF. Neuron. 2018 Jun 6;98(5):1042-1054.e4. doi: 10.1016/j.neuron.2018.04.031.

sábado, 2 de junio de 2018

El tamaño importa: Una nueva pista genética de la evolución del cerebro humano.



Tres genes que aparecieron durante nuestra evolución temprana probablemente aumentaron la cantidad de neuronas en humanos, aunque no todo podían ser  ventajas.



Todo comenzó con algunas muestras de tejido cerebral, creciendo en una placa de Petri.


A scientist wearing purple gloves prepares a tissue sample from a dissected human brain.



Frank Jacobs, entonces en la Universidad de California en Santa Cruz, había tomado muestras de células madre de humanos y de monos y los había tratado para que formaran pequeñas bolas de neuronas. Estos "organoides" reflejan las primeras etapas del desarrollo cerebral. Jacobs buscaba genes que se activaran con mayor intensidad  en los cerebros de los humanos respecto a  los cerebros de los monos. Un gen llamó la atención de todos, cuando presentó los datos a sus colegas en una reunión de laboratorio.

Había un gen llamado NOTCH2NL que estaba sobreactivado en las muestras de cerebro humano y apagado en las de los  monos, según Sofie Salama, que codirige al equipo de Santa Cruz con David Haussler. "¿Y cual es la función del gen  NOTCH2NL? Hasta entonces, era totalmente desconocida.

El equipo finalmente descubrió que NOTCH2NL parecía estar inactivo en los monos porque no existe en estos animales. Es un gen exclusivo de los humanos, y es probable que controle la cantidad de neuronas que fabricamos cuando somos embriones. Es uno de una lista creciente de genes sólo para humanos que podría ayudar a explicar por qué nuestros cerebros son mucho más grandes que los de otros simios.

Estos genes sólo para humanos son genes que aparecen normalmente cuando se duplican fragmentos de ADN de forma accidental. La duplicación crea copias de seguridad de genes existentes, que luego pueden mutar impunemente y asumir nuevos roles. De esta forma, los eventos de duplicación proporcionan combustible nuevo para la evolución.

También causan dolores de cabeza a los investigadores que intentan comprender nuestro genoma. Los científicos secuencian genomas mediante la ruptura de largos tramos de ADN en fragmentos más manejables. Luego descifran cada pieza por separado, antes de ensamblar las piezas en un todo. Pero cuando los genes están duplicados, los fragmentos de las copias son casi indistinguibles de los fragmentos de los originales, lo que causa confusión. Es como intentar armar varios rompecabezas que son solo ligeramente diferentes: cuando sus piezas se mezclan, parece que todas provienen de un único rompecabezas.

Ese fue el caso de NOTCH2NL. En borradores anteriores del genoma humano, parecía un único gen. Pero cuando el último (y vigésimo) borrador se publicó en diciembre de 2013, Jacobs y sus colegas se dieron cuenta de que este misterioso gen era en realidad tres genes. Se los conoce como NOTCH2NLA, NOTCH2NLB y NOTCH2NLC. Son 99.7 por ciento idénticos el uno al otro. Y tienen una historia complicada.

En el ancestro común de todos los grandes simios, solo había un gen: NOTCH2. En algún momento, se duplicó, pero solo parcialmente. Su gemelo, el primer gen NOTCH2NL, carecía de secciones importantes, por lo que no funcionaba correctamente. Era inservible, como un manual de instrucciones con capítulos arrancados al azar. Hasta la fecha, los chimpancés y los gorilas aún tienen estas versiones inservibles de NOTCH2NL.

Pero hace entre 3 y 4 millones de años, en los antepasados ​​de los humanos, sucedió algo especial. El gen original NOTCH2 sobrescribió parcialmente su duplicado inservible. Este proceso, conocido como conversión de genes, revivió NOTCH2NL, lo que le permitió desempeñar un papel activo en la biología de sus propietarios. Y habiendo resucitado, se duplicó dos veces más, creando los genes A, B y C que tenemos hoy.

Mientras el equipo de Jacobs estaba investigando todo esto, Ikuo Suzuki y sus colegas de KU Leuven, una universidad en Bélgica, buscaban los genes NOTCH2NL a través de una ruta diferente. Comenzaron por identificar genes que tienen tres características: surgen de eventos de duplicación, son muy activos en el cerebro en desarrollo y son únicos para los humanos. Suzuki y su equipo seleccionaron una lista de 35 genes e introdujeron varios de estos en los cerebros de ratones embrionarios para ver qué sucedería.


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Perfil de transcriptoma de genes de "solo humanos"
 durante la corticogénesis humana


Un gen -el NOTCH2NLB- tuvo un efecto particularmente interesante sobre la glía radial, las células responsables de desarrollar un cerebro. La glía radial son como talleres que fabrican dos productos: neuronas y más talleres. Tanto Suzuki como Jacobs descubrieron que los genes NOTCH2NL empujan a la glía hacia la segunda de sus tareas: reproducen mas talleres. A medida que su número aumenta, colectivamente generan más neuronas y desarrollan cerebros más grandes. Al influir sobre la glía radial, los genes NOTCH2NL pudieron haber contribuido a la evolución de nuestros cerebros haciéndolos mas grandes e inteligentes.

Estos cambios pueden haber tenido un costo. Los genes NOTCH2NL son tan similares que incluso nuestras células pueden confundirlos cuando se replican. Como resultado, el tramo de ADN donde residen estos genes es muy inestable. A veces, se duplica. A veces, se elimina. A veces, el gen A puede sobrescribir el B, o viceversa. Estos trastornos genéticos pueden conducir a graves trastornos del desarrollo.

En casos extremos, la duplicación de los genes NOTCH2NL puede conducir a macrocefalia, donde las personas crecen con cerebros y cabezas inusualmente grandes. Por el contrario, la pérdida total de estos genes puede conducir a la microcefalia, una condición de cerebros y cabezas muy  pequeñas. Otros cambios en esta región se han relacionado con el autismo, la esquizofrenia y los trastornos intelectuales. "Es fascinante pensar que el mismo mecanismo que ayudó a habilitar un cerebro más grande también nos puede hacer susceptibles a estos trastornos", según Salama. "Estamos pagando el precio por la ganancia que obtuvimos en nuestra evolución".

Por ahora, es difícil decir con exactitud cuánto varían los genes NOTCH2NL entre las personas, y cómo las variaciones específicas influyen en el tamaño del cerebro o en el riesgo de enfermedad. Es probable que eso cambie, ya que la nueva tecnología de "lectura de largos tramos de ADN" permite a los científicos secuenciar largos tramos continuos sin tener que romperlos primero en pedazos. A medida que se secuencien más genomas humanos utilizando métodos de lectura larga, se obtendrá una imagen más completa del papel de NOTCH2NL tanto en las enfermedades neurológicas como en la definición de las características que nos hace  humanos.

Los genes NOTCH2NL están lejos de ser los únicos relacionados con el tamaño del cerebro. Otros como ellos han sido identificados recientemente, con nombres igualmente tortuosos como SRGAP2C y ARHGAP11B. Sin olvidar que Suzuki se centró en NOTCH2NLB para  luego  identificar una lista de al menos 35 genes que podrían tener una función importante en el desarrollo del cerebro humano. Los próximos años serán ricos en nuevos descubrimientos en este campo de la neurociencia abierto por el estudio del cerebro mediante herramientas genómicas. Estaremos atentos.

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miércoles, 23 de mayo de 2018

Nuevos experimentos cuestionan el paradigma de dónde se almacena la memoria



 Los científicos transfirieron recuerdos de un caracol marino a otro. Algún día, podrían hacer lo mismo en los humanos.


David Glanzman, profesor de neurobiología en U.C.L.A. autor del nuevo artículo científico, ha estado estudiando la Aplisia californica, un caracol de mar, y su capacidad para mantener recuerdos a largo plazo durante años. Estos caracoles, que tienen aproximadamente doce centímetros de largo, son un organismo útil para estudiar cómo se forman los recuerdos porque sus neuronas son grandes y relativamente fáciles de trabajar.


Aplisia Californica


Estos  caracoles de mar pueden tener alrededor de 20,000 neuronas, una suma insignificante en comparación con los 100 mil millones que tienen los seres humanos. Pero los científicos han estado estudiando caracoles de mar durante mucho tiempo, y saben mucho sobre cómo los organismos aprenden. Muchos organismos marinos funcionan de la misma manera que los mamíferos, excepto que los procesos que los mantienen vivos son mucho menos complicados. Y los caracoles de mar no son una excepción: sus nervios transmiten impulsos de manera muy similar a la nuestra.

Por lo tanto, es impresionante que los investigadores de la Universidad de California  hayan podido transferir recuerdos sorprendentes entre los caracoles marinos. ¿Aún más impresionante? Esa investigación inicial podría allanar algún día el camino para procesos similares en humanos.

En el estudio, publicado en la revista eNeuro, un grupo de caracoles fueron entrenados para responder a un estímulo; en este caso, un ligero shock en la cola. El impacto no dañó a los caracoles. Simplemente desencadenó un reflejo de rizo defensivo, algo así como quitar la mano de una estufa caliente. Al principio, los caracoles solo se encrespaban por unos segundos. Pero a través de shocks repetidos, los investigadores los entrenaron para enrollarse por más tiempo, hasta aproximadamente 50 segundos.

Recientemente, los científicos habían apreciado que incluso cuando interferían con las células cerebrales de sus caracoles entrenados de una manera que debería haber eliminado por completo la memoria, parecía quedar algo de vestigio. Decidieron ver si algo más allá de las conexiones de las células cerebrales entre sí, a saber, ARN, podía ser la causa del mantenimiento de la memoria.

El ARN se conoce  por transportar mensajes entre el genoma y el resto de la célula. Pero los científicos se han dado cuenta gradualmente de que el ARN tiene alguna función más que jugar a mensajero.

Existen algunos tipos de ARN que, en lugar de transportar mensajes, ayudan a activar y desactivar genes. Se ha demostrado que están involucrados en la memoria a largo plazo en caracoles, ratones y ratas, a través de su capacidad para influir en las etiquetas químicas en el ADN. Estas etiquetas a su vez influyen en si un gen se activará en un organismo.

Continuando con su investigación, el equipo tomó un poco de ácido ribonucleico (ARN), que forma proteínas basadas en el ADN de las células, del tejido nervioso en la parte superior del abdomen de los caracoles entrenados y lo inyectó en los cuellos de los caracoles no entrenados para llegar a su sistema circulatorio. Para su sorpresa, los caracoles que no fueron inyectados con ARN se curvaron por solo unos pocos segundos, tras recibir un shock,  como hacen todos los caracoles cuando no han sido entrenados. ¿Pero que hicieron los caracoles a los que se les inyectó ARN de los caracoles entrenados? Mantuvieron la postura durante 40 segundos tras recibir el shock, como si recordaran cómo responder a un estímulo, a pesar de que nunca lo habían experimentado antes.

Luego, los investigadores tomaron las células cerebrales de caracoles entrenados y caracoles no entrenados y los cultivaron en el laboratorio. Bañaron las neuronas desentrenadas en el ARN de las células entrenadas, luego les dieron un shock y vieron que disparaban de la misma manera que las neuronas entrenadas. El recuerdo de las células entrenadas parecía haber sido transferido a las desentrenadas.

Los resultados, según  Glanzman, sugieren que los recuerdos pueden almacenarse dentro del núcleo de las neuronas, donde el ARN se sintetiza y puede actuar sobre el ADN para activar y desactivar los genes. El almacenamiento de memoria implicaba estos cambios epigenéticos (cambios en la actividad de los genes y no en las secuencias de ADN que los componen) que están mediados por el ARN.

El laboratorio de Glanzman y otros también han demostrado que la formación de la memoria a largo plazo se puede bloquear mediante la prevención de cambios epigenéticos, incluso cuando no se ve alterada la formación de sinapsis o el fortalecimiento de las mismas.

Este punto de vista desafía la noción generalizada de que los recuerdos se almacenan fortaleciendo las conexiones sinápticas entre las neuronas. Por el contrario, Glanzman ve los cambios sinápticos que ocurren durante la formación de la memoria como fluyendo a partir de la información que el ARN está llevando.

Esto es importante porque añade información a un debate científico de largo recorrido. Algunos investigadores piensan que los recuerdos se almacenan en las sinapsis (los espacios entre las células nerviosas). Pero otros científicos creen  que los recuerdos se almacenan en el núcleo de las neuronas. Y como dijo el autor del estudio David Glanzman a la BBC, "si los recuerdos se almacenaran en las sinapsis, no hay forma de que nuestro experimento hubiera funcionado".

En 2015, el investigador Ryan de Trinity College fue el autor principal de un artículo de ciencia con el Premio Nobel de MIT, Susumu Tonegawa, que mostró que los recuerdos podían recuperarse incluso después de que se bloqueara el fortalecimiento de la sinapsis. Ryan  persigue la idea de que los recuerdos se almacenan a través de conjuntos de neuronas unidas por nuevas conexiones sinápticas, no por el fortalecimiento de las conexiones existentes.

Sin embargo Ryan no cree que el comportamiento de los caracoles, o las neuronas cultivadas, demuestre que el ARN está transfiriendo recuerdos. Dijo que no entiende cómo el ARN, que funciona en una escala de tiempo de minutos a horas, podría estar causando la recuperación de memoria que es casi instantánea, o cómo el ARN podría conectar numerosas partes del cerebro, como los sistemas auditivo y visual, que están involucrados en recuerdos más complejos.

Pero hay muchos tipos diferentes de ARN, y el equipo de Glanzman planea hacer más investigaciones para determinar qué tipos afectan más directamente a la memoria.

Pero no nos dejemos llevar, ya que estamos hablando de caracoles, después de todo. Estos hallazgos no cierran el debate sobre dónde se almacenan los recuerdos, y ciertamente no significan que podamos restaurar al instante recuerdos detallados en humanos.

Lo que está en juego en el campo es alto porque la memoria es clave para nuestro sentido del yo y muchos científicos sienten que entender el funcionamiento de la memoria es algo que ya debería haberse resuelto. Es la última de las grandes preguntas de la biología del siglo XXI.

La realidad es que sabemos muy poco sobre la memoria.



sábado, 5 de mayo de 2018

Cómo se ha descubierto el GPS del cerebro





A veces es difícil recordar que alguna vez sabíamos encontrar nuestro camino sin GPS. Pero lo hicimos Y aún lo hacemos. Cada vez que exploramos una ciudad nueva, caminamos en la oscuridad o recorremos un sendero, dependemos de una red de neuronas especializadas en lo más profundo de nuestro cerebro para generar y mantener un mapa cognitivo de nuestro mundo. 

 


Un sentido del espacio que ocupamos


En 1971, John O'Keefe, en ese momento en la Universidad McGill y ahora en el University College de Londres, descubrió el primer componente del GPS del cerebro en el hipocampo de la rata, un área del cerebro crítica para la memoria. O'Keefe registró la actividad de las neuronas individuales cuando los animales vagaban libremente en su recinto. Descubrió que ciertas neuronas sólo se activaban cuando un animal se movía a través de un punto particular del recinto. Nombrando a estas neuronas como "neuronas espaciales", postuló que el hipocampo albergaba el mapa espacial interno del cerebro, donde las neuronas espaciales representan tanto la ubicación actual de un animal, como aquellas ubicaciones visitadas en el pasado.

El descubrimiento de las neuronas espaciales cambió fundamentalmente nuestro conocimiento del hipocampo que pasaba, de ser una estructura dedicada exclusivamente a los recuerdos declarativos, a una que también es crítica para navegar en el espacio.


Posición en el espacio


La actividad de la neurona espacial por sí sola no podría explicar la capacidad de la rata para aprender a circular por su entorno. Los colaboradores de O'Keefe, Edvard Moser y May-Britt Moser del Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, exploraron este problema después de descubrir que las neuronas espaciales funcionaban incluso después de que se dañara parcialmente el circuito neural del hipocampo. Al razonar que la señal espacial surge en otra parte, los investigadores también estudiaron ratas que se movían libremente, analizando la actividad de  neuronas individuales de una región del cerebro con conexiones directas al hipocampo: la corteza entorrinal.

Resultado de imagen de tablero ajedrez chino
Tablero chino de ajedrez
Al igual que las neuronas espaciales de lugar existentes en el hipocampo, algunas de las neuronas analizadas se activaban en ciertos lugares y luego se mantenían en  silencio. Pero a diferencia de las neuronas espaciales de lugar, las neuronas de la corteza entorrinal solo se silenciaban momentáneamente y luego volvían a activarse. Hasta que el equipo aumentó el tamaño del recinto no quedó claro que las neuronas se activaban a intervalos precisos y repetitivos. La actividad de cada neurona individual formaba una cuadrícula hecha de triángulos regularmente espaciados, muy parecidos a un tablero de ajedrez chino. Descubiertas en 2005, las "neuronas espaciales de posición" también se han encontrado en ratones, murciélagos, monos y humanos.

 "Esta neurona sabe exactamente dónde estar activa y dónde permanecer en silencio", según May-Britt Moser, señalando que parecían crear un conjunto de puntos de referencia muy estables para navegar en entornos específicos. Y, debido a que las neuronas espaciales de posición del entorrino sirven como activadores a las neuronas espaciales de lugar del hipocampo, el equipo de Moser especuló que las neuronas espaciales de posición son las que deciden sobre las distancias en el entorno. John O'Keefe, Edvard Moser y May-Britt Moser ganaronel Premio Nobel en 2014 por sus descubrimientos de las neuronas espaciales delugar del hipocampo y las neuronas espaciales de posición del entorrino.





La brújula y el velocímetro del cerebro


Si bien las neuronas espaciales de lugar  del hipocampo y las neuronas espaciales de posición  entorrinales  son vitales para crear un mapa interno, ese mapa necesita la información que todos los sistemas de GPS necesitan para ayudarnos realmente a navegar: la dirección en la que nos movemos y la rapidez con la que lo hacemos.

En 1984, James Ranck del SUNY Downstate Medical Center describió las primeras "neuronas de orientación", encontradas fuera del hipocampo y de la corteza entorrinal que se activan en respuesta a la dirección que aborda una rata. En 2006, el equipo de Moser encontró "neuronas de orientación" en la corteza entorrinal, donde podían interactuar con las neuronas de posición. Luego, el grupo identificó un conjunto de células en la misma área del cerebro que discernía los bordes de un entorno, y que denominaron "neuronas de borde".

Encontrar neuronas para discernir la velocidad de un animal requirió mas  creatividad: el equipo de Moser construyó un mini auto sin fondo "Flintstone" en una pista. Las ratas corrían hacia un trozo de chocolate a una velocidad establecida por los investigadores. Encontraron neuronas en y alrededor de la corteza entorrinal que se activaban más rápido cuando la rata corría más rápido y disminuían su activación a medida que el animal reducía su velocidad. La forma en que estas "neuronas de velocidad" se activaron en concierto con la velocidad del animal fue tan consistente, que los investigadores pudieron determinar la velocidad del animal con solo mirar los registros de actividad de aproximadamente media docena de neuronas de velocidad del animal.


Una hoja de ruta en nuestras cabezas


Los investigadores continúan descubriendo ideas perspicaces sobre el GPS del cerebro. Por ejemplo, en el laboratorio de Moser criaron ratas en un recinto esférico que carecía de bordes definidos y, por lo tanto, las neuronas de borde carecían de actividad. Debido a que las neuronas de posición  se desarrollan más tarde que las neuronas de lugar y borde, no funcionan correctamente si las crías de rata no aprenden sobre el entorno durante los primeros 14 días después de abrir los ojos por primera vez. Estas ratas, por tanto, pierden una parte crítica de su repertorio de navegación.

La comprensión del circuito de navegación está iluminando algunos de los problemas más difíciles de la neurociencia. La habilidad del mapa interno del cerebro para adaptarse proporciona mecanismos por los cuales podemos consolidar nuestros recuerdos. Y, debido a que la corteza entorrinal se daña temprano en el curso de la enfermedad de Alzheimer, su función crítica en la navegación no solo proporciona una idea de por qué el perderse es uno de los primeros síntomas del Alzheimer, sino que también  ofrece nuevas vías para explorar y potencialmente mejorar la enfermedad.

"Esta es una historia increíble". Y una que promete continuar capturando la imaginación científica.