Descubriendo la evolución del cerebro

Descubriendo la evolución del cerebro

Los científicos de Salk comparan el desarrollo de las células cerebrales entre humanos y primates no humanos de una manera novedosa

LA JOLLA—¿Qué nos hace humanos y de dónde viene esta misteriosa propiedad de “humanidad”? Los humanos son genéticamente similares a los chimpancés y los bonobos, pero existen diferencias cognitivas y de comportamiento obvias. Ahora, investigadores del Instituto Salk, en colaboración con investigadores del departamento de antropología de UC San Diego, han desarrollado una estrategia para estudiar más fácilmente el desarrollo temprano de las neuronas humanas en comparación con las neuronas de los primates no humanos. El estudio, que apareció en ELIFE el 7 de febrero de 2019, ofrece a los científicos una herramienta novedosa para la investigación fundamental del cerebro.

“Este estudio proporciona información sobre la organización del desarrollo del cerebro y sienta las bases para futuros análisis comparativos entre primates humanos y no humanos”, dice uno de los autores principales del estudio, el presidente y profesor de Salk. Calibrador oxidado, que ocupa la Cátedra Vi and John Adler de Investigación sobre Enfermedades Neurodegenerativas Relacionadas con la Edad.

Dos procesos importantes en el desarrollo del cerebro incluyen la maduración y la migración de las neuronas. La maduración implica el crecimiento de las neuronas a medida que las neuronas aumentan sus conexiones entre sí para una mejor comunicación. La migración es el movimiento físico de las neuronas hacia diferentes partes del cerebro en desarrollo. Los autores buscaron comparar la maduración y migración de neuronas entre primates humanos y no humanos.

Para lograr esta tarea, el laboratorio de Gage ideó un nuevo método que utiliza tecnología de células madre para tomar células de la piel de primates y persuadirlas, a través de un virus y cócteles químicos, para que se conviertan en células progenitoras neurales, un tipo de célula que tiene la capacidad de convertirse en múltiples tipos de células en el cerebro, incluidas las neuronas. Estas nuevas líneas celulares de primates pueden propagarse perpetuamente, lo que permite a los investigadores nuevas vías para estudiar aspectos del desarrollo neuronal de neuronas vivas sin muestras de tejido de primates en peligro de extinción, como chimpancés y bonobos.

"Esta es una estrategia novedosa para estudiar la evolución humana", dice Carol Marchetto, científica sénior del personal de Salk en el Laboratorio de Genética, coautora principal y una de las autoras principales del estudio. “Estamos felices de compartir estas líneas celulares de primates con la comunidad científica, para que los investigadores de todo el mundo puedan examinar el desarrollo del cerebro de los primates sin el uso de muestras de tejido. Anticipamos que esto conducirá a numerosos hallazgos nuevos en los próximos años sobre la evolución del cerebro”.

Los investigadores primero exploraron las diferencias en la expresión génica relacionada con el movimiento neuronal, comparando células humanas, de chimpancé y de bonobo. También investigaron las propiedades de migración de las neuronas inherentes a cada especie. Encontraron 52 genes relacionados con la migración y, curiosamente, las neuronas de chimpancé y bonobo tenían períodos de migración rápida, mientras que las neuronas humanas se movían lentamente.

Para comparar el movimiento y la maduración de las neuronas fuera de un plato, los científicos trasplantaron las células progenitoras neurales de humanos y chimpancés en el cerebro de roedores, lo que permitió que las neuronas prosperaran y proporcionaran señales de desarrollo adicionales para que se desarrollaran.

Luego, los investigadores analizaron las diferencias en la distancia de migración, la forma y el tamaño de las neuronas hasta 19 semanas después del trasplante. Observaron la longitud, densidad y cantidad de extensiones de las neuronas llamadas dendritas, así como el tamaño de los cuerpos celulares, que albergan el núcleo y el ADN.

Las neuronas del chimpancé migraron una distancia mayor y cubrieron un área 76 por ciento mayor que las neuronas humanas después de dos semanas. Las neuronas humanas se desarrollaron más lentamente, pero alcanzaron longitudes más largas que las neuronas de los chimpancés. Este patrón de crecimiento más lento puede permitir que los humanos alcancen más hitos de desarrollo que los primates no humanos, lo que podría explicar las diferencias en el comportamiento y las habilidades cognitivas.

En el futuro, los autores esperan construir un árbol evolutivo de múltiples especies de primates, utilizando líneas de células madre pluripotentes inducidas, para comprender mejor la evolución del cerebro humano. Además, los autores planean usar esta plataforma para estudiar las diferencias de regulación génica entre las especies de primates que subyacen a las diferencias en la maduración neuronal y pueden afectar potencialmente la organización del cerebro en los humanos.

“Tenemos un conocimiento limitado sobre la evolución del cerebro, especialmente cuando se trata de diferencias en el desarrollo celular entre especies”, dice Marchetto. “Estamos entusiasmados con las tremendas posibilidades que abre este trabajo para el campo de la neurociencia y la evolución del cerebro”.

Otros investigadores del estudio fueron Krishna Vadodaria, Sara B. Linker, Inigo Narvaiza, Renata Santos, Ahmet M. Denli, Ana PD Mendes, Ruth Oefner, Jonathan Cook, Lauren McHenry, Jaeson M Grasmick, Kelly Heard, Callie Fredlender, Lynne Randolph -Moore, Rijul Kshirsagar, Rea Xenitopoulos, Grace Chou y Nasun Hah de la Instituto Salk de Estudios Biológicos; Branka Hrvoj-Mihic, Katerina Semendeferi y Alysson R. Muotri de la Universidad de California en San Diego; Bilal E. Kerman de en Universidad Medipol de Estambul; Diana X. Yu de la Universidad de Utah; y Krishnan Padmanabhan de la Universidad de Rochester.

El trabajo y los investigadores involucrados recibieron el apoyo de subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud, Leona M. y Harry B. Helmsley Charitable Trust, el Instituto de Medicina Regenerativa de California y la Fundación para la Investigación del Cerebro y el Comportamiento (anteriormente Alianza Nacional para la Investigación sobre esquizofrenia y depresión).

DOI: 10.7554 / eLife.37527