Investigadores rastrean el árbol genealógico de las neuronas espinales

Investigadores rastrean el árbol genealógico de las neuronas espinales

Nuevas formas de clasificar y estudiar las neuronas de la médula espinal podrían informar terapias para enfermedades o lesiones.

LA JOLLA—Las células nerviosas de la médula espinal que se ramifican por el cuerpo se asemejan a árboles con ramas que se extienden en todas direcciones. Pero esta imagen también puede utilizarse para contar la historia de cómo estas neuronas, con trabajos cada vez más especializados con el tiempo, surgieron a través de la historia evolutiva y del desarrollo. Por primera vez, investigadores del Salk han rastreado el desarrollo de las neuronas de la médula espinal utilizando firmas genéticas y han revelado cómo diferentes subtipos de estas células pudieron haber evolucionado y, en última instancia, funcionar para regular los movimientos de nuestro cuerpo.

Los hallazgos, publicados en la revista Ciencia el 23 de abril de 2021, ofrecer a los investigadores nuevas formas de clasificar y etiquetar subconjuntos de células de la médula espinal para su estudio posterior, utilizando marcadores genéticos que diferencian las ramas del árbol genealógico de las células.

“Un estudio como este brinda las primeras herramientas moleculares para que los científicos puedan estudiar la función de las neuronas de la médula espinal de una manera mucho más precisa de lo que jamás lo han hecho antes”, dice el autor principal del estudio. Samuel Pfaff, profesor de Salk y titular de la Cátedra Benjamin H. Lewis. “Esto también tiene implicaciones para el tratamiento de lesiones en la médula espinal”.”

Las neuronas espinales son responsables de transmitir mensajes entre la médula espinal y el resto del cuerpo. Los investigadores que estudian las neuronas espinales han clasificado típicamente las células en “clases cardinales”, que describen dónde aparecen por primera vez cada tipo de neurona en la médula espinal durante el desarrollo fetal. Pero, en un adulto, las neuronas dentro de una misma clase cardinal tienen funciones y características moleculares variadas. Estudiar pequeños subconjuntos de estas células para desentrañar su diversidad ha sido difícil. Sin embargo, comprender estas distinciones de subconjuntos es crucial para ayudar a los investigadores a entender cómo las neuronas de la médula espinal controlan los movimientos y qué sale mal en las enfermedades neurodegenerativas o en las lesiones de la médula espinal.

“Se sabe desde hace mucho tiempo que las clases cardinales, por útiles que sean, son incompletas para describir la diversidad de neuronas en la médula espinal”, dice Peter Osseward, un estudiante de posgrado del laboratorio de Pfaff y coautor principal del nuevo artículo, junto con el exestudiante de posgrado Marito Hayashi, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard.

Pfaff, Osseward y Hayashi recurrieron a tecnologías de secuenciación de ARN de célula única para analizar las diferencias en los genes que se activaban en casi 7.000 neuronas espinales de ratones. Utilizaron estos datos para agrupar las células en cúmulos estrechamente relacionados, de la misma manera que los científicos podrían agrupar organismos relacionados en un árbol genealógico.

El primer patrón importante de expresión génica que observaron dividió las neuronas espinales en dos ramas: neuronas relacionadas con la sensibilidad (que transportan información sobre el entorno a través de la médula espinal) y neuronas relacionadas con el movimiento (que transportan órdenes motoras a través de la médula espinal). Esto sugiere que, en un organismo antiguo, uno de los primeros pasos en la evolución de la médula espinal pudo haber sido una división del trabajo de las neuronas espinales en roles motores frente a sensoriales, dice Pfaff.

Cuando el equipo analizó las siguientes ramas del árbol genealógico, descubrió que las neuronas relacionadas con los sentidos se dividían en neuronas excitatorias e inhibitorias, una división que describe cómo la neurona envía información. Pero cuando los investigadores observaron las neuronas relacionadas con el movimiento, encontraron una división más sorprendente: las células se agruparon en dos grupos distintos basándose en un nuevo marcador genético. Cuando el equipo tiñó las células pertenecientes a cada grupo en la médula espinal, quedó claro que los marcadores diferenciaban las neuronas según tuvieran conexiones de largo o corto alcance en el cuerpo. Experimentos posteriores revelaron que los patrones genéticos específicos de las propiedades de largo y corto alcance eran comunes en todas las clases cardinales probadas.

“La suposición en el campo era que las reglas genéticas para especificar neuronas de largo alcance versus las de corto alcance serían específicas para cada clase cardinal”, dicen Osseward y Hayashi. “Así que fue realmente interesante ver que en realidad trascendía la clase cardinal”.”

La observación fue más que interesante, resultó ser útil también. Anteriormente, se podían necesitar muchas etiquetas genéticas diferentes para acotar un tipo neuronal en particular que un investigador quisiera estudiar. El uso de tantos marcadores es técnicamente desafiante y en gran medida impedía que los investigadores estudiaran solo un subtipo de neurona de la médula espinal a la vez.

Con las nuevas reglas, solo se pueden usar dos marcadores —un marcador previamente conocido para la clase cardinal y el marcador genético recién descubierto para propiedades de largo o corto alcance— para identificar poblaciones de neuronas muy específicas. Esto es útil, por ejemplo, para estudiar qué grupos de neuronas se ven afectados por una lesión de la médula espinal o una enfermedad neurodegenerativa y, eventualmente, cómo regenerar esas células particulares.

El origen evolutivo del árbol genealógico de neuronas espinales estudiado en el nuevo artículo es probablemente muy antiguo porque los marcadores genéticos que descubrieron se conservan en muchas especies, dicen los investigadores. Por lo tanto, aunque no estudiaron neuronas espinales de animales distintos a los ratones, predicen que los mismos patrones genéticos se verían en la mayoría de los animales vivos con médula espinal.

“Esto es material primordial, relevante para todo, desde anfibios hasta humanos”, dice Pfaff. “Y en el contexto de la evolución, estos patrones genéticos nos dicen qué tipo de neuronas podrían haber existido en algunos de los organismos más tempranos”.”

Otros de los autores del estudio fueron Neal Amin, Benjamin Temple, Bianca Barriga, Lukas Bachmann, Fernando Beltran, Miriam Gullo, Robert Clark y Shawn Driscoll, del Salk; y Jeffrey Moore, de la Universidad de Harvard. El trabajo fue financiado por subvenciones del Howard Hughes Medical Institute, la Christopher and Dana Reeve Foundation, el Sol Goldman Charitable Trust y los National Institutes of Health.

DOI: 10.1126/science.abe0690