Según un nuevo estudio, los científicos crearon cerebros en miniatura en el laboratorio que formaron redes intrincadas y produjeron ondas cerebrales similares a las disparadas por el cerebro en desarrollo de un bebé humano prematuro.
La idea de cultivar cerebros en miniatura en el laboratorio no es nueva; Los investigadores lo han estado haciendo durante casi una década. Pero la mayoría de los estudios han utilizado estos mini cerebros u "organoides" para estudiar la estructura a gran escala.
Por ejemplo, un grupo desarrolló mini cerebros que podrían desarrollar vasos sanguíneos, informó anteriormente Live Science. Otro grupo expuso mini cerebros al virus Zika para comprender cómo puede conducir a cabezas anormalmente pequeñas o microcefalia.
Pero en condiciones como el autismo, la esquizofrenia, el trastorno bipolar e incluso la depresión, "el cerebro está intacto y el problema depende de las operaciones de la red", dijo el autor principal del estudio, Alysson Muotri, profesor asociado del Departamento de Medicina Celular y Molecular y Director del Programa de Células Madre de la Universidad de California, San Diego. Esta es la primera vez que los cerebros cultivados en laboratorio han formado intrincadas redes de neuronas que producen fuertes ondas cerebrales.
Para hacer esto, Muotri y su equipo recolectaron células madre humanas, que pueden transformarse en cualquier tipo de célula con las instrucciones correctas, derivadas de la piel y la sangre de las personas. Los investigadores expusieron estas células madre a instrucciones químicas que las convertirían en células cerebrales.
En su mayor parte, estas células formaron células progenitoras neurales, células específicas del cerebro que pueden proliferar y dar lugar a muchos tipos de células cerebrales. Después de dos a cinco meses en una placa de laboratorio, estas células progenitoras forman neuronas glutamatérgicas, células cerebrales que son "excitadoras" o aquellas que propagan información.
Después de unos cuatro meses, los mini cerebros dejaron de producir neuronas excitadoras y comenzaron a producir astrocitos. Estas células cerebrales ayudan a dar forma a las sinapsis, los espacios entre las células cerebrales donde los neurotransmisores, o sustancias químicas cerebrales, transmiten información. Finalmente, las células progenitoras comenzaron a producir neuronas inhibidoras, que apagan la actividad cerebral o impiden que las neuronas transmitan información. Es entonces cuando "la actividad comienza a volverse más compleja, porque ahora estamos equilibrando la excitación y la inhibición", dijo Muotri.
Mientras las células se dividían y diferenciaban, eventualmente comenzaron a "autoorganizarse en algo que se asemeja a la corteza humana", dijo Muotri. La corteza es la capa externa del cerebro, que juega un papel importante en la conciencia.
Los "mini cerebros", de hecho, no parecen versiones en miniatura de cerebros humanos. Más bien, son manchas blancas y esféricas que flotan en la sopa rojiza en la que se cultivan, dijo Muotri. Crecieron hasta solo 0.2 pulgadas (0.5 centímetros) de diámetro, pero sus redes neuronales continuaron evolucionando durante nueve a 10 meses antes de detenerse, dijo.
A lo largo del crecimiento de los mini cerebros, el equipo utilizó un conjunto de pequeños electrodos que se conectan a las neuronas para medir la actividad cerebral. Los investigadores encontraron que alrededor de los dos meses, las neuronas en los mini cerebros comenzaron a disparar señales esporádicas, todas a la misma frecuencia. Después de un par de meses más de desarrollo, los cerebros dispararon señales a diferentes frecuencias y con mayor frecuencia, lo que indica una actividad cerebral más compleja, dijo Muotri.
Si bien estudios anteriores han demostrado que los cerebros mini, producidos en laboratorio, pueden producir la activación de las células cerebrales, los investigadores informaron que dispararon alrededor de 3.000 veces por minuto, dijo Muotri. Sin embargo, en este estudio, las neuronas dispararon cerca de 300,000 veces por minuto, lo que está "más cerca del cerebro humano", dijo.
Luego, el equipo usó un algoritmo de aprendizaje automático para comparar la actividad cerebral de estos mini cerebros con la de los bebés humanos prematuros. Los investigadores entrenaron su programa para aprender las ondas cerebrales registradas de 39 bebés prematuros de entre 6 y 9 meses y medio de edad.
Luego, los científicos introdujeron los patrones de ondas cerebrales de los mini cerebros en el algoritmo y descubrieron que después de 25 semanas de desarrollo del mini cerebro, ya no podía distinguir los datos provenientes del cerebro humano de los derivados del cerebro cultivado en laboratorio. "Se confunde y les da la misma edad a ambos", lo que sugiere que los mini cerebros y los cerebros humanos estaban creciendo y desarrollándose de manera similar, dijo Muotri.
Este estudio muestra "muy bien que puede hacer que estos sistemas experimentales reproducibles puedan abordar procesos que son tan fundamentales para el desarrollo de un ser humano", dijo el Dr. Thomas Hartung, director del Centro Johns Hopkins para Alternativas a las Pruebas en Animales. quien también trabajó en el desarrollo de mini cerebros en el laboratorio pero que no formó parte del estudio.
La "inaccesibilidad del cerebro embrionario es una de las razones por las que estos modelos ofrecen algo diferente", dijo. "Pero también significa que tienes oportunidades muy limitadas para decir que es real". Si bien las señales de EEG son similares a las de los bebés prematuros, están ligeramente apagadas en el tiempo, agregó.
Mientras que un embrión humano está conectado a la madre y, por lo tanto, recibe señales del exterior, estos cerebros cultivados en laboratorio no están conectados a nada. "Estas celdas no tienen entrada ni salida, no pueden reconocer nada de lo que sucede en el mundo", dijo Hartung. Por lo tanto, "definitivamente no" son conscientes.
Eso es lo que la mayoría de los científicos estarían de acuerdo, pero "es difícil de decir", dijo Muotri. "Nosotros los neurocientíficos ni siquiera estamos de acuerdo en cuáles son las medidas que uno puede hacer para investigar realmente si están conscientes o no".
El cerebro humano envía sus señales para ayudarnos a interactuar con nuestro entorno. Por ejemplo, cuando observamos un error, los ojos envían señales a las células cerebrales, que se señalan entre sí y nos hacen saber que estamos viendo un error.
Entonces, ¿por qué estos cerebros cultivados en laboratorio envían señales? ¿De qué podrían estar hablando? "Esa es una pregunta que no sabemos, porque el cerebro embrionario es realmente una caja negra", dijo Muotri. Parece que la mayoría de las señales en estas primeras etapas implican instrucciones para "auto-cablearse" o conectarse entre sí, dijo.
En cualquier caso, dijo que espera que estudios como este nos ayuden a comprender cómo el cableado cerebral temprano da lugar a nuestros cerebros complejos, y qué sucede cuando ese cableado falla.
Muotri y su equipo dijeron que ahora esperan estimular aún más los organoides cerebrales para ver si pueden desarrollarse más de nueve a 10 meses. A los investigadores también les gustaría modelar trastornos cerebrales, por ejemplo creando organoides cerebrales con células tomadas de niños con autismo, para comprender cómo se desarrollan sus redes cerebrales.
Los hallazgos fueron publicados hoy (29 de agosto) en la revista Cell Stem Cell.
