Cómo el cerebro distingue nuestras extremidades

Cómo el cerebro distingue nuestras extremidades

Los investigadores de Salk utilizan tecnologías de vanguardia para descubrir diferencias en el control neuronal de brazos y piernas

LA JOLLA—Las piernas y los brazos realizan funciones muy diferentes. Nuestras piernas son responsables principalmente de la locomoción repetitiva, como caminar y correr. Nuestros brazos y manos, por el contrario, deben poder ejecutar muchos trabajos altamente especializados: tomar un bolígrafo y escribir, sostener un tenedor o tocar el violín, solo por nombrar tres.

Pero la regulación neural por las regiones de la médula espinal que se conectan a los brazos y las que se conectan a las piernas no se conocen bien. Ahora, un estudio del Instituto Salk en ratones ha revelado contrastes en las neuronas que subyacen a estos diversos tipos de control motor. Los resultados, que algún día podrían conducir a tratamientos personalizados basados ​​en células madre para reparar lesiones de la médula espinal, se publicaron en la revista Neurona de febrero 21, 2018.

“La forma clásica de pensar en la médula espinal es que es una columna continua de neuronas que se conecta al cerebro o a los músculos”, dice samuel pff, investigador del Instituto Médico Howard Hughes en Salk y autor principal del estudio. "Si observa imágenes de secciones transversales de la médula espinal, puede haber variaciones sutiles en la forma entre las áreas que controlan los brazos y las que controlan las piernas, pero no es obvio que existan diferencias importantes".

Gracias a un puñado de tecnologías de laboratorio de vanguardia, los investigadores ahora pueden decodificar las distinciones que conducen a la especialización en el control motor de los dos conjuntos de extremidades.

Una de estas técnicas es el uso de marcadores moleculares para identificar subpoblaciones de células. En el estudio actual, los investigadores se centraron en un grupo de neuronas llamado V2a que expresa el gen CHX10 (pronunciado “chex diez”). “Ya sabíamos que estas neuronas contribuyen al movimiento en todos los niveles de la columna vertebral”, dice Pfaff, quien ocupa la cátedra Benjamin H. Lewis. "Pero esto creó una situación paradójica: ¿Qué podría ser diferente entre las neuronas V2a a nivel cervical, que controla los brazos, y a nivel lumbar, que controla las piernas?"

Resulta que aunque las neuronas V2a están presentes en toda la columna vertebral, no todas expresan CHX10 en los mismos niveles. Primero, el equipo usó una tecnología llamada secuenciación de ARN para estudiar las diferencias en la expresión génica de las neuronas V2a entre las áreas de los brazos y las piernas (que se cree que son equivalentes a las extremidades delanteras y traseras en los animales). Marito Hayashi, investigador asociado postdoctoral y primer autor, descubrió que en la médula espinal del ratón se clasifican dos poblaciones principales de estas neuronas, que pasan de una población a otra. En la región cervical (brazo), las neuronas se dividen 50-50 entre las que expresan el gen y las que no, mientras que en la región lumbar (pierna), la mayoría de las neuronas V2a lo expresan.

Los investigadores usaron una tecnología llamada optogenética, donde la luz se usa para encender y apagar células de manera selectiva, para observar cómo las neuronas V2a estaban conectadas a las neuronas que controlan los músculos. Descubrieron que cuando las neuronas V2a se estimulaban a nivel cervical, las conexiones con las neuronas motoras eran débiles, mientras que en la región lumbar, las conexiones eran fuertes y rápidas.

Luego, empleando una técnica de laboratorio en la que se usa un virus de la rabia modificado para rastrear los circuitos neuronales, el equipo reveló que en la región cervical, muchas de las neuronas V2a que no expresan el CHX10 gen estaban conectados al cerebro. Por el contrario, en la región lumbar donde la mayoría de las neuronas V2a expresan el gen, las neuronas en cambio estaban estrechamente conectadas a las neuronas motoras y entre sí. Esto tiene sentido, según Pfaff, porque los movimientos de manos y brazos deben coordinarse cuidadosamente con el cerebro, mientras que los movimientos de las piernas están más automatizados.

“Históricamente, las personas han tratado a las neuronas V2a como una población idéntica en todas las regiones”, agrega Hayashi. "Pero descubrimos que dependiendo del segmento dentro de la médula espinal, su perfil molecular y, por lo tanto, su trabajo, era diferente".

El equipo de Salk, incluido el especialista en bioinformática Shawn Driscoll, investigó si había más de dos poblaciones principales de neuronas V2a mediante el empleo de secuenciación de ARN de una sola célula, una tecnología que permite la identificación de genes únicos expresados ​​en una resolución de célula individual. Esta investigación condujo a una mayor identificación de 11 grupos únicos de neuronas V2a.

El trabajo futuro se centrará más de cerca en las diferencias moleculares entre estas neuronas.

“Esperamos hacer un análisis más detallado para conectar diferentes neuronas a sus funciones”, dice Hayashi. Si sus hallazgos también son válidos en las personas, este trabajo algún día podría conducir a tratamientos personalizados para reparar las lesiones de la médula espinal, posiblemente con el uso de células madre.

“En este momento, poder usar células madre para reparar lesiones de la médula espinal es algo que realmente no sabemos cómo lograr”, dice Pfaff. “Uso la analogía de tratar de corregir un problema con el sistema eléctrico de un automóvil abriendo el capó y simplemente tirando un montón de cables. Con este trabajo, estamos un paso más cerca de descubrir qué hacen realmente todos esos cables diferentes”.

Los otros autores del artículo fueron Christopher Hinckley, Niall Moore, Kathryn Hilde y Ariel Levine de Salk y Kamal Sharma de la Universidad de Illinois en Chicago. Hinckley ahora está en Biogen, Levine ahora está en el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares, e Hilde ahora está en la Universidad de Michigan.

La investigación fue apoyada por fondos del Instituto Médico Howard Hughes y Sol Goldman Charitable Trust.