¿Cómo se ensamblan y organizan los cerebros en desarrollo?

Jul 30, 2023

Áreas del cerebro marcadas por distintos patrones de actividad desde muy temprano, según muestra un estudio de marsupiales

por Tamara Bhandari•29 de agosto de 2023

Linda Richards, PhD, (al microscopio) jefa del Departamento de Neurociencia de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis, publicó recientemente un estudio que describe algunos de los primeros eventos en el desarrollo del cerebro. Los hallazgos sientan las bases para comprender las raíces de afecciones cerebrales como la epilepsia, el autismo y la discapacidad intelectual.

Los bebés nacen con cerebros preorganizados en áreas dedicadas al movimiento, la visión, la audición y otras funciones, una infraestructura crítica que los equipa para comenzar a aprender sobre el mundo desde el momento en que respiran por primera vez. Pero se sabe poco sobre cómo se construye la arquitectura del cerebro debido a los desafíos que implica estudiar el desarrollo del cerebro antes del nacimiento.

Ingrese a los dunnarts de cola gruesa, marsupiales parecidos a ratones que nacen después de solo 13 días de gestación, con cerebros aún en gran parte sin formar. Al monitorear el desarrollo cerebral de los dunnart joeys a medida que maduraban en las bolsas de sus madres, investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis obtuvieron información sobre cómo la superficie externa del cerebro, conocida como corteza, se organiza y estructura a sí misma: una proceso crucial que ha sido prácticamente impenetrable para la investigación científica hasta ahora. Comprender cómo surge normalmente la estructura del cerebro podría proporcionar pistas esenciales sobre por qué y cómo el proceso a veces sale mal y conduce a trastornos neurológicos.

El estudio está disponible en línea en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Incluso cuando la corteza aún se está formando, surgen distintos patrones de actividad en diferentes áreas funcionales del cerebro", dijo la autora principal Linda J. Richards, PhD, profesora Edison de Neurobiología y jefa del Departamento de Neurociencia. “Estos patrones pueden ser críticos para establecer conexiones entre diferentes áreas del cerebro. Nos gustaría saber cómo se desarrolla la actividad pautada en el cerebro y qué sucede cuando eso sale mal. ¿Cómo alteran los patrones de actividad la forma en que se configuran los circuitos cerebrales y qué implicaciones podrían tener eso para afecciones cerebrales como la epilepsia o el autismo?

El desarrollo del sistema nervioso en los mamíferos, incluido el hombre, comienza con la aparición del llamado tubo neural en las primeras semanas después de la concepción. Un extremo del tubo neural brota en un cerebro; el otro se alarga hasta la médula espinal. Durante varias semanas, las células de la superficie exterior del cerebro naciente se organizan en la corteza cerebral, la superficie exterior arrugada del cerebro responsable de la memoria, el pensamiento, el aprendizaje, los sentidos y las emociones. Un dunnart nace justo después de que se forma el tubo neural, por lo que su corteza cerebral se desarrolla mientras está en la bolsa de su madre. En las personas, la corteza cerebral comienza a formarse aproximadamente cinco semanas después de la concepción y continúa desarrollándose hasta el segundo trimestre del embarazo.

Junto con Richards, el equipo de investigación incluyó al coautor Geoffrey J. Goodhill, PhD, profesor de biología del desarrollo y neurociencia en la Facultad de Medicina; así como los coautores Rodrigo Suárez, PhD, Tobias Bluett y Michael H. McCullough, PhD, todos los cuales se encontraban en la Universidad de Queensland en Australia cuando se realizó la investigación inicial.

Cuando las neuronas están activas, los niveles de calcio aumentan dentro de las células. Para monitorear la actividad neuronal en el cerebro de los joeys, los investigadores utilizaron un indicador fluorescente que brillaba cuando aumentaban los niveles de calcio. Descubrieron que los patrones de actividad emergían muy temprano, incluso cuando todavía se estaban generando nuevas neuronas y la estructura de seis capas de la corteza aún estaba en construcción.

"Desde muy temprano comienzas a tener un poco de actividad, que no sigue ningún tipo de patrón, pero tan pronto como puedes ver los patrones, son diferentes en las áreas somatosensorial y visual del cerebro". dijo Richards.

Distintos patrones de actividad surgen aproximadamente al mismo tiempo que se establecen conexiones entre la corteza y el tálamo, una estructura con forma de huevo en el medio del cerebro que transmite señales motoras y sensoriales a la corteza. Los investigadores ahora están realizando más estudios para investigar el papel del tálamo en el desarrollo de la corteza, dijo Richards.

"Los Dunnarts y los ratones están separados por alrededor de 120 millones de años de evolución y, sin embargo, tienen patrones de actividad temprana muy similares", dijo Richards. “Es notable. Cualquier cosa que se conserve evolutivamente durante tanto tiempo probablemente sea vital para el funcionamiento normal. Es muy probable que estos patrones de áreas específicas desempeñen un papel en el establecimiento de los circuitos cerebrales, que sustentan todos los aspectos de la función cerebral, y los dunnarts han transformado la forma en que podemos estudiar estos procesos”.

Suárez R, Bluett T, McCullough MH, Avitan L, Black DA, Paolino A, Fenlon LR, Goodhill GJ, Richards LJ. La actividad cortical surge en patrones regionales específicos durante el desarrollo temprano del cerebro. Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. 22 de mayo de 2023. DOI: 10.1073/pnas.2208654120

La financiación para este proyecto fue proporcionada por el Consejo Nacional de Investigación Médica y de Salud de Australia, números de subvención GNT1159778, GNT1120615, GNT1196855 y 2013349; Consejo Australiano de Investigación, números de subvención DP160103958, DE160101394 y DP200103090; La Universidad de Queensland, subvención número UQECR1719425; la Brain and Behaviour Research Foundation, subvención número 26728; y los Institutos Nacionales de Salud (NIH), número de subvención DP1NS127279.

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