Al observar la cristalería de laboratorio, los investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford han observado cómo las células nerviosas derivadas de células madre que surgen en una región específica del cerebro humano migran a otra región del cerebro. Este proceso recapitula lo que se cree que ocurre en un feto en desarrollo,pero nunca antes se había visto en tiempo real.
Los investigadores vieron que las células nerviosas migratorias, o neuronas, se conectan con otras neuronas en la región objetivo para formar circuitos funcionales característicos de la corteza cerebral.
Estas observaciones muestran la capacidad recién descubierta de los neurocientíficos para monitorear, ensamblar y manipular los llamados esferoides neurales, generados a partir de células madre pluripotentes inducidas por humanos, para estudiar el desarrollo normal del cerebro anterior humano al final del embarazo.
"Nunca antes hemos podido recapitular estos eventos de desarrollo del cerebro humano en un plato", dijo el autor principal del estudio, Sergiu Pasca, MD, profesor asistente de psiquiatría y ciencias del comportamiento ". El proceso ocurre en la segunda mitaddel embarazo, por lo que verlo en vivo es un desafío. Nuestro método nos permite ver la película completa, no solo las instantáneas ".
Los hallazgos y las técnicas utilizadas para obtenerlos tienen potencial para el estudio personalizado de los trastornos psiquiátricos de las personas. En el estudio, que se publicará en línea el 26 de abril en Naturaleza , los científicos pudieron atribuir, por primera vez, defectos en la migración neuronal al síndrome de Timothy, una condición rara que predispone a las personas al autismo, la epilepsia y el mal funcionamiento cardíaco. Los académicos posdoctorales Fikri Birey, PhD, Jimena Andersen, PhD yChris Makinson, PhD, comparte la autoría principal.
La necesidad de modelos 3-D
Cultivar neuronas en una placa de laboratorio es un sombrero viejo. Pero el carácter bidimensional de la vida que se vive sobre un cubreobjetos de vidrio plano no se adapta bien a las células diseñadas para la existencia tridimensional. Las neuronas cultivadas en monocapas maduran solo parcialmente, tienden amuere bastante rápido e interactúa subóptimamente.
En un estudio de 2015, Pasca y sus colegas describieron su método para producir esferoides neurales. Las células precursoras neuronales generadas a partir de células iPS se colocan en placas de cultivo cuyos fondos están recubiertos para que las neuronas no puedan unirse. Las células flotan libremente en uncaldo rico en nutrientes, que finalmente se convierte en cientos de bolas casi perfectamente redondas que se aproximan a 1/16 de pulgada de diámetro y que constan de más de 1 millón de células cada una. Estas neuronas pueden vivir hasta dos años y maduran completamente.
Los esferoides creados en el estudio de 2015 recapitularon la arquitectura de seis capas de espesor de la corteza cerebral humana, y las neuronas que contenían eran del tipo que surgen y dominan la corteza cerebral. Se llaman neuronas glutamatérgicas porque secretan el excitadorglutamato químico.
Pero las neuronas glutamatérgicas de la corteza cerebral no permanecen solas por mucho tiempo. Durante el desarrollo fetal, finalmente se unen las neuronas de otro tipo que se originan en una región ligeramente más profunda del cerebro anterior en desarrollo. Estas neuronas secretan un neuromodulador, y generalmenteinhibitoria - sustancia llamada GABA, por lo que se consideran GABAérgicos Se sabe que las células GABAérgicas migran desde su región de origen a la corteza, donde se entrelazan con sus células glutamatérgicas residentes y entre sí para formar los circuitos responsables de la mayor parte del cerebro.actividades cognitivas avanzadas. Pero nadie había podido ver que esto sucediera con las células humanas en un plato.
En el nuevo estudio, los investigadores separaron sus esferoides en dos lotes y los convencieron para que se convirtieran en diferentes regiones del cerebro humano. Cultivaron un lote en un medio que induce esferoides de cortex que contienen neuronas glutamatérgicas. Colocaron el segundo lote en platos cuyoel caldo dirige los esferoides hacia la región cerebral subyacente donde se originan las neuronas GABAérgicas.
Entonces, los investigadores yuxtapusieron los dos tipos distintos de esferoides. En tres días, los dos esferoides se fusionaron y las neuronas GABAérgicas de un esferoide comenzaron a migrar al esferoide rico en neuronas glutamatérgicas. Su patrón de migración, según los científicos, se detuvo.: Se moverían hacia el esferoide objetivo por un momento, luego se detendrían por un período prolongado, luego comenzarían de nuevo en saltos tartamudos.
Al llegar a su destino, los viajeros de GABAergic se sometieron a una transformación, brotando dendritas ramificaciones, "colas" en forma de follaje que reciben entradas de otras neuronas y formando conexiones de trabajo con las neuronas glutamatérgicas. Las pruebas electrofisiológicas revelaron que GABAergic y glutamatergicLas neuronas formaban con éxito circuitos y se señalizaban entre sí.
Percepción del síndrome de Timothy
Los científicos tuvieron acceso a muestras de tejido de pacientes con síndrome de Timothy, una condición extremadamente rara e históricamente letal causada por una mutación en el gen que codifica un tipo de canal de calcio, una proteína que contiene un poro que responde a diferentes niveles de voltaje medianteabrir o cerrar, permitiendo o bloqueando respectivamente el flujo de calcio a través de membranas impermeables. Tales canales de calcio son esenciales para muchos procesos celulares. Las anormalidades cardíacas severas de los pacientes con síndrome de Timothy alguna vez deletrearon expectativas de vida ultracortas, pero ahora se pueden mejorar con marcapasos.Sin embargo, los sobrevivientes generalmente tienen autismo y con frecuencia tienen epilepsia.
Los investigadores generaron ambos tipos de esferoides neurales a partir de sus muestras de tejido con síndrome de Timothy, los fusionaron y observaron para ver qué sucedería. Lo que vieron fue esto: las neuronas GABAérgicas, que parecían desarrollarse normalmente, exhibían un inicio y un retraso aberrantesdetener los patrones de migración. Sus movimientos hacia adelante fueron más frecuentes, pero mucho menos eficientes, que los de las neuronas normales.
La mutación detrás del síndrome de Timothy aumenta la probabilidad de que el canal de calcio que codifica permita que los iones de calcio fluyan a través de él. Por lo tanto, razonaron los investigadores, un medicamento que impida la actividad del canal podría revertir la aberración. De hecho, dos medicamentos diferentes que bloqueanEste tipo de canal de calcio restableció la actividad migratoria normal a las neuronas GABAérgicas derivadas del síndrome de Timothy.
Diversas variantes en el mismo gen responsable del síndrome de Timothy se asocian con esquizofrenia, otras formas de trastorno del espectro autista y trastorno bipolar. Pasca dijo que sospecha que estas variantes pueden afectar la integración de las neuronas GABAérgicas con las neuronas glutamatérgicas corticales, lo que resulta en una alteración cognitivadesequilibrio entre la excitación y la inhibición en la corteza y sentar las bases para estos trastornos.
"Nuestro método de ensamblar y caracterizar cuidadosamente los circuitos neuronales en un plato está abriendo nuevas ventanas a través de las cuales podemos ver el desarrollo normal del cerebro humano fetal", dijo Pasca. "Más importante aún, nos ayudará a ver cómo funciona esto.mal en pacientes individuales "
La Oficina de Licencias Tecnológicas de Stanford ha solicitado una patente sobre la propiedad intelectual que involucra la generación de esferoides neurales específicos de la región del cerebro y su ensamblaje para estudiar el desarrollo y la enfermedad.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro médico de la Universidad de Stanford . Original escrito por Bruce Goldman. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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