Un avance monumental: el primer atlas de las células del cerebro humano

El cerebro, esa intrincada red de casi cien mil millones de neuronas y otro tanto de células no neuronales –astrocitos y oligodendrocitos, entre otros–, ha cautivado y desafiado a la comunidad científica durante siglos.

Para entender cómo los circuitos neuronales permiten que nos emocionemos con el olor de un perfume, sintamos empatía o mostremos comportamientos complejos como la creatividad o la toma de decisiones éticas, primero debemos comprender la estructura y la función de los diferentes tipos de células cerebrales y su relación.

Claro que, como podrán imaginar, identificar tantos miles de millones de células cerebrales es todo un reto científico y tecnológico, más aún si queremos caracterizar cada tipo de célula en particular. Pues bien, este monumental esfuerzo se acaba de llevar a cabo con éxito.

Al fin un censo de las células cerebrales

Para poder hacer realidad un proyecto tan ambicioso, en 2017 se creó la red de investigación para el censo de células cerebrales, llamada BICCN (por sus siglas en inglés). Esta red engloba a más de treinta laboratorios de diversas disciplinas. Su objetivo es identificar, caracterizar y mapear cada tipo de célula del cerebro en humanos, primates no humanos y ratones.

Los estudios de la BICCN, gracias al empleo de las tecnologías más avanzadas que hasta ahora solo se aplicaban a modelos animales, han dado sus primeros frutos: han revelado la composición celular detallada del cerebro humano, tanto adulto como durante su desarrollo. Los hallazgos se detallan en una serie de veinticuatro artículos científicos, en su mayoría publicados en las prestigiosas revistas Science y Science advances.

Y lo han hecho en tres diferentes niveles de estudio: el transcripcional, que nos indica la función de las células a través de la expresión de sus genes; el epigenético, que nos revela cómo se activan o desactivan estos genes por la edad y por factores ambientales; y el nivel funcional, que se refiere, por ejemplo, a si las neuronas excitan o inhiben a otras neuronas.

La integración de estos resultados muestra que, como cabía esperar, además de la variación entre regiones cerebrales, también la hay entre los cerebros de cada persona. Es decir, no existe un único prototipo de cerebro humano, sino un amplio rango genético y de respuesta al ambiente, tanto en individuos sanos como en diferentes estados de enfermedad.

Dos atlas y dos análisis comparativos

La enorme y compleja investigación a nivel de análisis de células individuales ha proporcionado resultados interesantísimos. En primer lugar se han generado dos atlas: uno de células individuales del cerebro humano adulto, y otro de células individuales de primates no humanos también adultos (macacos y titíes).

Asimismo, se han presentado dos análisis comparativos, uno de células individuales entre cerebros humanos y de primates no humanos, y otro entre células individuales durante el desarrollo del cerebro tanto en humanos como en primates no humanos.

Finalmente, se han analizado y modelizado la función y la distribución de los tipos celulares neuronales humanos y su comparación con los de ratón. Como dirían en mi tierra: "Casi ná".

Descripción detallada de más de tres millones de células

Entre los resultados más importantes destaca la descripción detallada de más de tres millones de células cerebrales a nivel individual (entre las que se incluyeron más de dos millones de neuronas) de casi cien zonas diferentes del cerebro humano adulto.

IMAGEN: Representación abstracta de la diversidad celular en el cerebro. Ecke rBehrens/ Institute Salk, CC BY-NC-SA.

Los hallazgos indican que el cerebro no es nada homogéneo. Aunque todas las células del cerebro comparten el mismo ADN, cada una de ellas usa diferentes genes en distintas cantidades. Eso da lugar a un nivel de diversidad y especialización celular absolutamente asombroso. Cada área cerebral contiene un conjunto específico de tipos de células y en diferentes estados funcionales. Además de ayudarnos a entender cómo funciona el cerebro, conocerlos será de una gran utilidad clínica en relación con enfermedades cuya alteración cerebral puede ser diferente según la persona que lo sufra, como los tumores cerebrales, la epilepsia o la esclerosis múltiple, por citar algunas.

Curiosamente, las neuronas más singulares se encuentran en la corteza visual primaria (V1), que se ha convertido en el epicentro de fascinantes descubrimientos sobre cómo interpretamos y percibimos el mundo visual que nos rodea. Esta región cerebral no es solo un procesador de imágenes, sino también un mosaico impresionante de células que, en conjunto, crean el rico tapiz de nuestra experiencia visual, permitiéndonos discernir formas, colores y movimientos con asombrosa precisión.

Este trabajo sienta las bases para entender cómo las variaciones en la estructura celular pueden influir en nuestra capacidad para procesar información y realizar diversas funciones cognitivas.

Pequeñas pero significativas diferencias con nuestros parientes cercanos

Más aún, otra investigación revela también sorpresas en las células del cerebro humano cuando las comparamos con las de nuestros parientes más cercanos, los chimpancés y los gorilas. Aunque compartimos con ellos una estructura celular cerebral básica, nuestras neuronas utilizan diferentes genes para conectarse y formar circuitos en el cerebro. Este detalle indica que pequeños cambios en las conexiones neuronales podrían impulsar evolutivamente nuestras capacidades cognitivas, tales como el razonamiento complejo y la creación de lenguajes avanzados.

Sumándose a estos resultados, el equipo desveló una interesante similitud neuronal entre chimpancés y gorilas, pese a que los chimpancés y los humanos comparten un ancestro más inmediato. Esto pone de relieve la excepcionalidad de la biología cerebral que nos hace humanos, desplegando un abanico de posibilidades como la invención de herramientas, la composición de majestuosas sinfonías y la percepción de la delicada sensibilidad en la poesía.

Implicaciones en trastornos del desarrollo como el autismo

En relación con el estudio del desarrollo de la corteza cerebral humana, que se despliega a través de nuestra etapa prenatal y continúa durante muchos años tras el nacimiento, se han analizado minuciosamente más de 700.000 células provenientes de 169 muestras de tejido de 106 donantes.

Así, se han podido establecer cómo se desarrollan y se diferencian diversas células en el cerebro, incluyendo las neuronas que se encargan de emitir señales eléctricas, aquellas que las regulan, las células gliales que son las "cuidadoras" del entorno neuronal, y las células que conforman nuestros vasos sanguíneos cerebrales, siendo todas ellas piezas fundamentales en el majestuoso puzzle de nuestra maquinaria cerebral.

En cuanto a las implicaciones que estos hallazgos tienen en trastornos del desarrollo como el autismo, este trabajo nos presenta una perspectiva de cómo pequeños cambios en esta compleja danza de desarrollo celular pueden llevar a condiciones que afectan profundamente a la interacción social y comunicativa. Por ejemplo, al entender más acerca de cómo las neuronas y las células gliales se desarrollan y se comunican entre sí, podemos comenzar a desentrañar los misterios de por qué, en algunas personas, este proceso difiere y cómo esto puede impactar en la forma en la que perciben e interactúan con el mundo.

Funcionamiento del cebrero humano

Por si fuera poco, el estudio ilumina las sutiles pero significativas diferencias en la expresión génica entre niñas y niños respecto al autismo, proporcionando un prisma a través del cual poder examinar por qué este trastorno muestra diferentes tasas de incidencia y manifestación entre géneros.

Independientemente de la enorme valía de cada uno de los resultados publicados, el esfuerzo interdisciplinar aquí demostrado permite avanzar hacia el objetivo común de conocer el desarrollo y el funcionamiento del cerebro que nos hace humanos. Además de abrir las puertas a una nueva era de investigación en el origen de las enfermedades neurológicas.

Francisco José Esteban Ruiz, Profesor Titular de Biología Celular, Universidad de Jaén.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.