El cerebro humano es una máquina de procesamiento de información magníficamente compleja, a la que ciertos tipos de investigación resultan extremadamente inaccesibles. La ciencia sobrevivió al vacío moral en el que cayó la investigación cerebral durante gran parte del siglo XX; y, por razones éticas excepcionalmente válidas, ahora existen normas estrictas que rigen lo que los investigadores pueden hacer con cerebros humanos que los seres humanos todavía utilizan ampliamente.
Lo que los científicos pueden hacer es cultivar pequeños fragmentos de uno en una placa de Petri. Estos diminutos cúmulos tridimensionales de tejido neural humano, llamados organoides cerebrales, no son cerebros completos reproducidos en forma miniaturizada. Pero sí reproducen lo suficiente la arquitectura celular y la actividad eléctrica del cerebro como para ofrecer a los científicos una forma de investigar cosas que nunca podrían, por razones éticas, manipular, conectar cables y estimular repetidamente el interior del cráneo de una persona viva. Ahora, un equipo liderado por el neurocientífico Yoshiho Ikeuchi de la Universidad de Tokio ha cultivado varios de estos organoides, los ha conectado en una red y ha observado cómo “aprendieron” a distinguir cuál de sus congéneres les enviaba señales.
“En conjunto, estos resultados demuestran que la estimulación repetida de una red modular organizada puede reorganizar los organoides generados en condiciones idénticas, transformándolos en módulos funcionalmente diferenciados”, escriben los investigadores, “generando así una heterogeneidad relevante para la tarea que subyace a una mejora funcional constante in vitro”.
No, los organoides no están formando redes cerebrales conscientes que se rebelarán y se vengarán de sus torturadores de carne. Más bien, la investigación demuestra que puede ser necesaria una configuración particular de arquitectura modular para que el tejido neuronal aprenda a distinguir entre diferentes señales.
El cerebro humano no es una maraña homogénea de conexiones neuronales. Está organizado en regiones, cada una con su propia red local, que se comunican entre sí mediante conexiones de mayor alcance. Esta organización modular permite que diferentes partes del cerebro desempeñen distintas funciones, sin dejar de formar parte de una red interconectada.
Sin embargo, los requisitos mínimos para que el tejido neural desarrolle circuitos funcionales no se comprenden del todo. Con la creciente sofisticación de los modelos de organoides cerebrales, Ikeuchi y su equipo recurrieron, naturalmente, a los modelos de tejido cerebral como medio para investigar el problema. Estas estructuras se cultivan a partir de células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSC, por sus siglas en inglés), que son básicamente células humanas maduras que han sido reprogramadas a un estado similar al de las células madre, lo que les confiere la capacidad de desarrollarse en muchos tipos diferentes de células si se las estimula en la dirección correcta.
Ikeuchi y su equipo lograron que sus células iPSC humanas se desarrollaran hasta convertirse en tejido cerebral, lo que proporcionó a los investigadores una serie de pequeños fragmentos de tejido neural con los que experimentar. Colocaron estos fragmentos sobre chips especiales recubiertos de diminutos electrodos, lo que permitió a los investigadores estimular los organoides con señales eléctricas y registrar su actividad neuronal.
Algunas patatas fritas tenían una mancha cerebral. Otras tenían dos. Y otras tenían tres.
Los investigadores los dejaron reposar durante más de dos semanas, dando tiempo a los organoides agrupados en cada chip para que desarrollaran axones (las largas prolongaciones de las células nerviosas que transmiten señales) y formaran conexiones. Las grabaciones realizadas después de este período mostraron una actividad eléctrica sincronizada entre los organoides que estaban agrupados, lo que confirma que habían formado redes funcionales.
Luego, llegó el momento de La Zappenación (es un misterio por qué alguien pensaría que los organoides querrían venganza. Un completo enigma). Durante dos semanas, los investigadores estimularon eléctricamente las redes neuronales diariamente en dos ubicaciones diferentes, 100 veces en cada ubicación, mientras registraban la actividad neuronal resultante en otra parte del chip.
En los chips con un solo organoide, los impulsos eléctricos se aplicaron en dos puntos de ese único organoide. En los chips con dos organoides, ambos conjuntos de impulsos se aplicaron a uno, mientras que la actividad cerebral se registró en el otro. Y en los chips con tres organoides, los impulsos se dividieron entre dos, mientras que la actividad cerebral se registró en el tercero, que no recibió ningún impulso.
La idea era comprobar si la estimulación repetida acabaría enseñando al tejido neural a responder de forma diferente en función de la procedencia de la señal. Para averiguarlo, los investigadores utilizaron algoritmos de aprendizaje automático para analizar los patrones de actividad cerebral tras cada estimulación eléctrica y les pidieron que identificaran cuál de las dos zonas había sido estimulada.
Al inicio del experimento, los investigadores seleccionaron deliberadamente puntos de estimulación que producían respuestas difíciles de distinguir. Los algoritmos solo pudieron identificar la fuente correctamente en aproximadamente la mitad de los casos, lo cual coincide con el resultado que se obtendría al adivinar. Tras el Zappening, empezó a perfilarse una imagen diferente.
Esto no se aplica a los organoides individuales ni a los pares: sus respuestas a las dos señales seguían siendo difíciles de distinguir.
Pero en las redes de tres organoides, las dos señales se volvieron cada vez más distinguibles de la actividad que producían en el tercer organoide. Las respuestas también se volvieron más rápidas, más estables y con mayor diferenciación espacial.
Y las redes de tres organoides que no fueron sometidas al proceso de Zappening no mostraron la misma mejora, lo que sugiere que el cambio no fue simplemente el resultado de que las masas pasaran otras dos semanas creciendo en una placa de cultivo. Las señales repetidas parecían haber provocado la reorganización de las redes neuronales.
Es una forma de aprendizaje muy básica, y está muy lejos del complejo procesamiento de información que realiza un cerebro humano real y plenamente desarrollado. Sin embargo, según los investigadores, los resultados sugieren que organizar el tejido neuronal en módulos conectados con diferentes funciones puede ayudarle a desarrollar la capacidad de distinguir entre diferentes fuentes de información. Dado que la discriminación básica de señales es un requisito fundamental para el procesamiento de información más complejo, el resultado ofrece a los investigadores una nueva forma de investigar cómo surgen funciones neuronales cada vez más sofisticadas.
“Probar los organoides con señales más complejas y tareas sofisticadas será fundamental para futuras investigaciones”, escriben los investigadores.
“Los estudios futuros deberían centrarse en identificar posibles ‘células nodales’ o ‘neuronas centrales’ que faciliten las conexiones dentro y entre los organoides; la combinación de esto con análisis bioquímicos y moleculares podría revelar la base mecanicista de los cambios en la plasticidad sináptica y la conectividad”.
La investigación ha sido publicada en Communications Biology.
Fuente: Science Alert.
