Cómo se forman los circuitos neuronales en un embrión en desarrollo

El proceso de desarrollo celular puede ser tan apasionante como intrigante. Gracias a los avances tecnológicos, recientemente fue posible seguir a las neuronas jóvenes en un embrión en desarrollo a medida que avanzaban desde un desordenado revoltijo de células hacia un centro de control coordinado. El enfoque permite a los científicos rastrear el desarrollo y la función celular emergente simultáneamente en circuitos completos.

Las células que eventualmente se convierten en neuronas primero deben viajar a través del embrión para llegar a sus destinos finales en el sistema nervioso. Allí, florecen de células indefinidas en neuronas con roles específicos, trabajando juntas en circuitos para dirigir el comportamiento de un animal.

Yinan Wan, investigadora del Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes, y sus colegas han desarrollado herramientas para ver directamente aquel viaje, en animales vivos (Wan et al., 2019).

Es la primera vez que los científicos rastrean simultáneamente los orígenes del desarrollo, el movimiento y la actividad funcional de todas las neuronas a medida que forman un circuito completo, de principio a fin.

Conectar la ubicación física y el historial de desarrollo de las neuronas jóvenes con sus roles emergentes en el sistema nervioso ofrece una nueva visión sobre la forma en que los cerebros se organizan, dice Wan. “Veo estas herramientas como una plataforma para comprender el desarrollo neuronal.”

El equipo de investigación creó las herramientas necesarias para recopilar y analizar datos de neuronas en desarrollo en un lapso de siete años.

“Se necesita tecnología que le permita seguir, a nivel de una sola célula, el desarrollo de un embrión completo”, dice Keller (líder del equipo). No es demasiado difícil encontrar un microscopio que pueda obtener imágenes de un área grande, capturar los detalles más pequeños o tomar fotografías realmente rápido. Pero por lo general, esas ventajas vienen con compensaciones. Para este experimento, el equipo de Keller necesitaba un microscopio que pudiera hacer todas esas cosas a la vez, y en un frágil organismo vivo, para arrancar. 

Su punto de partida fue un microscopio de lámina de luz que Keller y otros científicos habían desarrollado. El año pasado, el equipo utilizó una tecnología similar para observar cómo las células se dividen, se mueven y comienzan a formar órganos en el desarrollo de embriones de ratón. Esta vez, el grupo de Keller se centró en el sistema nervioso, rastreando no solo dónde estaban las células sino también lo que cada una estaba haciendo.

Primero, los científicos diseñaron el pez cebra para incluir una pequeña molécula que hace que cada célula del pez brille. En las neuronas del embrión, también rastrearon una molécula que informa la actividad de las neuronas, más un puñado de proteínas clave que solo están presentes cuando una célula ha asumido una función específica: pistas sobre lo que esa célula está haciendo realmente en el cuerpo. En conjunto, esa información le permite al equipo distinguir diferentes tipos de neuronas y observar cómo estas células asumieron sus roles.

Luego colocaron los embriones de pez cebra bajo el microscopio durante 14 horas, capturando los movimientos de todas las células y siguiendo la actividad de las células a una velocidad de cuatro imágenes tridimensionales por segundo, varios millones de instantáneas de alta resolución en total. Los algoritmos desarrollados por Wan y otros en el laboratorio los ayudaron a reconstruir los caminos de las neuronas individuales. Y los colaboradores de Janelia, Ziqiang Wei y Shaul Druckmann, desarrollaron técnicas computacionales para analizar los patrones de actividad de las neuronas.

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Con el tiempo, las imágenes del microscopio revelaron células en movimiento que iban encontrando sus lugares, luego asumieron roles específicos y se unieron en circuitos. También se mostró, a nivel individual, cómo emerge en cada célula primero la actividad altamente coordinada de la red y da lugar a los primeros comportamientos del pez cebra.

“En este momento, mucha neurociencia computacional gira en torno a cómo comprender los patrones de actividad en las poblaciones de neuronas,” dice Druckmann. “Los estudios de desarrollo como estos agregan una dimensión completamente nueva: tener sentido no solo de la dinámica actual de la población, sino también de cómo estos patrones se desarrollan y cambian con el tiempo.”

El circuito motor en la médula espinal del pez cebra (en el cual se centró el equipo de investigación), es el primero en desarrollarse en los peces, dice Wan. Ha sido ampliamente estudiado desde muchos ángulos. Pero cuando se trata de comprender cómo maduran y comienzan a trabajar juntas las células en el circuito, “hay una gran brecha de conocimiento”, dice ella. El trabajo del equipo comienza a explicar cómo el movimiento coordinado emerge del desorden.

El circuito motor tiene neuronas motoras, que se comunican con los músculos, e interneuronas, que traen señales de otras neuronas y, a veces, actúan como marcapasos. A medida que el circuito tomó forma en los peces en desarrollo, las neuronas motoras fueron las primeras células en comenzar a enviar mensajes, descubrió el equipo. Eso fue una sorpresa, dice Keller. Los científicos habían pensado que las neuronas motoras probablemente seguirían el ejemplo de otras células en este proceso.

“Hemos reconstruido el desarrollo de órganos individuales e incluso embriones completos en el pasado,” dice Keller, “pero nunca antes hemos combinado esto con imágenes funcionales de alta velocidad de todo el sistema de las mismas células.” Observar el desarrollo y la función de las células cerebrales juntas permite a los investigadores reconstruir cómo emerge la función neuronal, a nivel de cada célula individualmente.

Referencia bibliográfica:

Wan, Y., Wei, Z., Looger, L. L., Koyama, M., Druckmann, S., & Keller, P. J. (2019). Single-Cell Reconstruction of Emerging Population Activity in an Entire Developing Circuit. En Cell (Vol. 179, Número 2, pp. 355-372.e23). https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.039
Fuente: Science Daily

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