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Cómo piezas de cerebro humano vivo están ayudando a los científicos a mapear las células nerviosas

Por: Laura Sanders | En: Science News | Traduce: Noticias de Israel

INSTITUTO ALLEN

Un proyecto audaz tiene como objetivo descubrir cómo los humanos son diferentes de otras criaturas.

Un pedazo de cerebro del tamaño de una pelota de golf no coopera. Es más gruesa de lo normal y más sangrienta. Un lado tiene una tira de tejido que parece un cartílago en mi ojo inexperto.

Nick Dee, un neurólogo que tiene la tarea de cortar rápidamente una pieza en pedazos, habla con sus colegas. “Podemos cortar la fealdad desde afuera”, dice. La fealdad es el tejido conectivo del cerebro, llamado materia blanca.

Para obtener piezas útiles para la experimentación, el tejido cerebral debe ser cortado, pegado a una base del tamaño de un lápiz labial y luego insertado en una versión de laboratorio de una rebanadora. Pero este difícil pedazo no es un buen corte. Dee y sus colegas lo tomaron de la base, lo cortaron y lo pegaron.

Hace media hora, este trozo de tejido nervioso estaba dentro del lado izquierdo de la cabeza de una mujer de 41 años, justo encima de la oreja. Los cirujanos extirparon el tejido para llegar a una parte más profunda del cerebro, que se cree que causa convulsiones severas. Las reglas de confidencialidad no me permiten saber mucho sobre ella; no sé su nombre, mucho menos su primer recuerdo, su plato favorito o su sentido del humor. Pero en este pedazo de tejido que la paciente ha donado generosamente, hay claves de cómo su cerebro – todos nuestros cerebros – realmente crean la mente.

El equipo de Dee trabaja rápido porque este pedazo de cerebro está vivo. Algunas células todavía pueden actuar como si fueran parte del cerebro humano, lo que significa que tienen un gran potencial para los científicos que quieren entender cómo recordamos, planificamos, nos comportamos y sentimos. Una vez que Dee y su equipo hagan lo suyo, las piezas del cerebro de una mujer serán entregadas a científicos apasionados, donde las células serán fotografiadas, perforadas por electricidad, liberadas de material genético e incluso infectadas por virus que las hacen brillar de verde y rojo.

Cómo piezas de cerebro humano vivo están ayudando a los científicos a mapear las células nerviosas
Estas rebanadas de tejido cerebral humano se mantienen vivas gracias al líquido cefalorraquídeo artificial burbujeado con una mezcla de dióxido de carbono y oxígeno. Crédito: INSTITUTO ALLEN

Todo esto es parte de un proyecto del Instituto Allen para la Investigación del Cerebro, con sede en Seattle, que está financiado principalmente por fondos privados y algunos subsidios del gobierno de Estados Unidos. Por sexto año consecutivo, el proyecto ha incluido una red de científicos, neurocirujanos y pacientes que están dispuestos a donar tejido cerebral extraído durante la cirugía. El objetivo final es responder a una de las preguntas más importantes de la neurociencia: ¿Qué nos hace humanos?

La respuesta no será fácil. Pero ya hay indicios de lo que hace que el cerebro humano sea tan poderoso. Los experimentos con tejidos vivos han revelado peculiaridades celulares que pueden ser específicas de los primates, y han descubierto nuevos detalles sobre el misterioso tipo de célula nerviosa o neurona. Otros hallazgos tentadores muestran que los humanos y los ratones tienen un número muy similar de tipos neuronales. Este recuento detallado de células es un paso inicial necesario para comprender los pensamientos, el comportamiento y las habilidades humanas.

“Necesitamos una descripción completa de todos los tipos de neuronas”, dijo Christophe Koch, científico jefe y presidente del Instituto Allen de Ciencia Cerebral. Los constantes progresos realizados en los últimos seis años demuestran que las respuestas son viables. Una vez que se ordene una maraña de neuronas que habitan nuestros cerebros, los científicos podrán observar los grandes misterios, como la forma en que estas células crean nuestros recuerdos, emociones e incluso nuestra propia conciencia.

Hora pico

En la mañana del 14 de mayo, esperé fuera de la sala de operaciones en el sótano del Centro Médico Harborview de la Universidad de Washington. Dentro, el neurocirujano penetró profundamente en el cerebro de la mujer. A las 10:15 de la mañana, se abrieron las puertas batientes y el médico abrió una botella de plástico transparente con una tapa naranja.

El asiento en la parte inferior del fluido interno estaba un pedazo de cerebro, inclinado suavemente alrededor con movimiento. Tamara Kasper, miembro del equipo de obtención de tejidos, estaba lista con un carro con un refrigerador azul (del mismo tipo que el de mi garaje) arriba y dos cilindros de gas abajo. Un pedazo de cerebro manchó la solución de un rosa transparente.

Cómo piezas de cerebro humano vivo están ayudando a los científicos a mapear las células nerviosas
Un frasco frío (izquierda) contiene una muestra de tejido cerebral minutos después de que se extrajo durante una cirugía por epilepsia en Seattle el 14 de mayo. 
En un laboratorio al otro lado de la ciudad, la muestra se recorta en hielo (centro). 
Una vez recortado, se pega en un soporte del tamaño de un tubo de lápiz labial para obtener más cortes (derecha). Crédito: MOLLY TELFER

Era un colorido recordatorio de que el tejido había estado en el cráneo hacía minutos, donde ayudó a crear una mente femenina.

Los científicos utilizan otros métodos para simular el cerebro humano: los organoides cerebrales, las pequeñas bolas de tejido nervioso cultivadas a partir de células madre (SN: 3/3/18, p. 22) y los animales cultivados en laboratorios fueron extremadamente útiles para los neurólogos. “Hay un valor real”, dice un neurocientífico del Instituto Allen Ed Lane. “Pero lo que no son adecuados es estudiar los detalles del producto final en un cerebro maduro”.

“La muestra, sumergida en líquido rosa, pasó 41 años experimentando la vida de una mujer. Es difícil enfatizar cuán diferente es esto”, dice Lane sobre el proyecto. Otros laboratorios han estudiado tejido vivo tomado del cerebro humano, “pero ninguno ha expandido o sistematizado tanto el proceso como este grupo en Seattle.

“Es casi alucinante para mí que podamos estudiar el cerebro humano fuera del cerebro humano”, dice Ryder Gwinn, un neurocirujano del Centro Médico Sueco en Seattle que trabaja con científicos del Instituto Allen.

Gwinn trata a personas con epilepsia. Los medicamentos no siempre detienen las convulsiones en sus pacientes. En casos graves, la cirugía puede ser la mejor opción para el paciente. En algunas de estas operaciones, el cirujano corta el tejido cerebral sano para llegar a un punto en el cerebro donde ocurren los chispazos de las convulsiones. Los cirujanos exfolian la piel y extirpan un pedazo de cráneo en forma de galleta, exponiendo el lóbulo temporal del cerebro, una parte de la capa externa del cerebro llamada la corteza. La mayor parte del lóbulo temporal sale con frecuencia, dice Gwinn. Parte del tejido nervioso va a los patólogos. El resto se tira a la basura médica, a menos que los científicos del Instituto Allen puedan tomarlo.

“Los tejidos son terriblemente pobres”, dijo Koch. Anteriormente, los colegas, incluidos muchos investigadores del Instituto Allen, se mostraban escépticos de que se pudieran encontrar y entregar al laboratorio suficientes muestras en buen estado. Pero después de 140 cirugías, más de 30 sólo este año, está claro que estos especímenes cerebrales toleran maravillosamente el viaje.

Una vez que la muestra salió de la sala de operaciones, Kasper conectó oxígeno y dióxido de carbono para mantener el tejido vivo en el líquido, el líquido cefalorraquídeo artificial. Luego se fue, empujando el carro a través del hospital con una mano y enviando mensajes de texto al equipo del Instituto Allen con la otra. El carro fue cargado en una camioneta blanca modificada para almacenar con seguridad los cilindros de gas inflamable. Y con eso, el burbujeante cerebro ya estaba en camino. La camioneta cruzó la lluvia húmeda de Seattle y regresó al laboratorio, donde Dee estaba lista, con un bisturí en la mano.

Cómo piezas de cerebro humano vivo están ayudando a los científicos a mapear las células nerviosas
Ramkumar Rajanbabu, del Instituto Allen, usa un tubo de succión para obtener una buena impresión de la membrana de una neurona viva para que pueda ver cómo se comportan las células. Crédito: MOLLY TELFER

Charla cruzada

Después de este decepcionante comienzo con la parte no cooperativa del cerebro, Dee finalmente obtiene suficientes rebanadas para numerosos experimentos. Una hora de descanso ayuda a las células a recuperarse del trauma causado por la separación del cerebro. Las piezas van al laboratorio del segundo piso, donde se colocan bajo un poderoso microscopio y son estimuladas para estudiar el comportamiento de estas células humanas vivas con la ayuda de la electricidad. Los investigadores esperan que el comportamiento imite el comportamiento de las células cuando estaban en el cráneo de su antiguo dueño.

Seis científicos están sentados en las plataformas de observación, cada uno equipado con un microscopio dentro de una caja negra de tres vías. En cada sonda, el investigador busca en el tejido cerebral de la mujer células sanas, hermosas y robustas, con una visibilidad adecuada en el fondo del tejido.

Los científicos pueden observar las neuronas vecinas (la izquierda muestra hasta ocho pipetas, cada una tocando el núcleo de una célula) para revelar conversaciones celulares complejas (derecha). 
MOLLY TELFER
Los científicos pueden observar las neuronas vecinas (la izquierda muestra hasta ocho pipetas, cada una tocando el núcleo de una célula) para revelar conversaciones celulares complejas (derecha). Crédito: MOLLY TELFER

Tan pronto como encuentran una buena, los investigadores tratan de atraparlas en un tubo de vidrio increíblemente delgado. Llamada patch-clamp, esta técnica fuerza una conversación celular, que se lleva a cabo con la ayuda de señales eléctricas que se mueven entre las células. Para continuar la conversación, es necesario introducir una corriente eléctrica en la célula y luego medir cómo reacciona la célula al mensaje artificial.

La mayoría de estas configuraciones miden las reacciones de una neurona a la vez. Pero en el fondo del laboratorio, la investigadora Lisa Kim pilota una configuración futurista de metal brillante, alambres enredados azules y negros y ocho agujas que apuntan a otra parte del corte cerebral. Mientras está allí, esta mega banda está escuchando algo así como una fiesta entre siete neuronas vivas. Kim inserta electricidad en cada una de ellas para ver cómo se transmite la señal a las vecinas neuronales.

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Usando una plataforma multiestación en el Instituto Allen, los investigadores pueden observar una conversación grupal entre un puñado de neuronas vivas en respuesta a una corriente eléctrica inyectada. Crédito: MOLLY TELFER

Las vibraciones eléctricas de estas neuronas proporcionan la clave para su identidad y relaciones; una de las siete células reacciona cuando una célula vecina recibe una descarga eléctrica, un indicio de que estas células se comunicaban mientras estaban en la cabeza de la mujer. Otras claves provienen de información sobre neuronas complejas generadas por la señal que envía axones y recibe dendritas. Cada neurona me recuerda a un mapa increíblemente complejo de los afluentes del río.

Una sensación aún más fuerte del funcionamiento de la célula aparece después del final de los experimentos con patch-clamp. Una vez más, trabajando con un tubo de vidrio delgado, el investigador puede succionar el núcleo de cada célula viva. La sustracción mata a la célula, pero tiene un registro de los genes que estaban activos cuando la célula estaba viva. Después de que Kim terminó la estimulación por electricidad, tomó suavemente el núcleo de cada una de las siete neuronas.

Toda la información recogida en estas instalaciones puede ayudar a los investigadores a identificar las neuronas que pueden desempeñar un papel especial en la formación de la mente humana. Así, por ejemplo, el estudio mostró que, según los investigadores, se trata de una célula rara llamada “Neuron Von Economo”, que lleva el nombre del neurólogo austriaco, quien describió por primera vez el tipo de célula en la década de 1920.

Se encontró una neurona extra larga en tejido cerebral vivo en una mujer de 68 años que se sometió a una cirugía de extirpación de tumores. La neurona mostró una reacción eléctrica inusual a la corriente aplicada, dijeron el 7 de mayo en Internet, científicos y colegas del Instituto Allen en bioRxiv.org. El resultado fue tentador porque se sospecha que los problemas con la Neuron Von Economo juegan un papel en las condiciones psiquiátricas y en la enfermedad de Alzheimer.

La investigación con células humanas vivas también reveló una diferencia importante entre el hombre y el ratón: un cierto tipo de neurona humana está cubierta por una proteína llamada el canal H, que rara vez se encuentra en ratas. Los canales H ayudan a las células a responder a las señales eléctricas y pueden verse afectadas por medicamentos, incluyendo aquellos para la epilepsia.

Esta diferencia fundamental, descrita en 2018 en el trabajo de Neuron, puede explicar por qué algunos fármacos afectan de forma diferente al cerebro de los ratones y al de los humanos. En términos más generales, estas propiedades recientemente descubiertas de las neuronas humanas pueden ser cosas que proporcionan algunas de las características más complejas de nuestros cerebros.

Aprender sobre neuronas humanas vivas es “necesario”, no sólo para “satisfacer la curiosidad humana”, dijo Nenad Sestan, neurocientífico de la Facultad de medicina de Yale. El descubrimiento de las peculiaridades del cerebro humano “puede algún día llevarnos a entender por qué sufrimos de ciertos trastornos”, dijo Sestan. Los modelos animales inexactos retrasaron la investigación sobre la esquizofrenia, el autismo y la enfermedad de Alzheimer, dijo. Por eso es tan importante el estudio del tejido humano vivo.

Del cerebro al laboratorio

Los científicos del Instituto Allen actúan cuando una muestra de cerebro proviene de un hospital cercano, sacando la mayor cantidad de información posible del precioso tejido. Lo que los investigadores aprenden sobre el comportamiento, la forma y la actividad genética de las células se publica en el Brain Atlas de Allen. (El texto en negrita muestra la longitud de cada paso.)

1-3 minutos

Cirugía: El tejido cerebral se extrae en el Hospital de Seattle, generalmente unos minutos después de que el cirujano abre el cráneo del paciente, y se coloca en un frasco de líquido cefalorraquídeo artificial enfriado, con burbujas de oxígeno y dióxido de carbono.

15-30 minutos

Transporte: Una furgoneta especialmente equipada acelera el transporte de los tejidos desde el hospital hasta el Instituto Allen.

De 30 a 60 minutos

Trozado: La muestra se coloca en un plato en un cubo de hielo, se corta en trozos de seis a más de 30 hojuelas de 0,35 mm de grosor cada uno.

Distribuir: De cada muestra, una pieza entra en el congelador para su posterior análisis. Una de cada cinco piezas se fija con conservante. El resto sobrevivirá para más experimentos el mismo día.

1 hora

Descanso: Las células vivas se recuperan del trauma sufrido durante la cirugía.

Observación el comportamiento: Las células en reposo se trasladan a un laboratorio electrofisiológico, donde los operadores estudian el comportamiento de la célula con 30 minutos de pulso eléctrico.

Mapa de la forma de la célula: Al llenar algunas neuronas con tinta, los investigadores pueden ver proyecciones complejas.

Estudios Genéticos: Las pipetas de vidrio delgado extraen el núcleo de algunas neuronas para que los investigadores puedan ver qué genes estaban activos inmediatamente antes de que las células murieran.

De semanas a meses

Manipulación: Otras pruebas tratan de insertar material genético en las células que permanecen vivas más tiempo de lo esperado. Los elementos luminosos proporcionan una mejor visibilidad.

Reparación cerebral

El neurocientífico Jonathan Ting esperaba con ansias su parte del cerebro. Ting está llevando a cabo experimentos para entregar genes a las células vivas, y ha mantenido sus células vivas durante un tiempo increíblemente largo.

En su laboratorio del cuarto piso, Ting está insatisfecho con la pieza que ha recibido, llamándola “un desastre sangriento”. Pero la corta un poco más y devuelve las piezas a la solución burbujeante. Luego toma lo que parece un plato para hornear de la incubadora vecina, hace bromas sobre Martha Stewart y me enseña muestras de cerebro en vivo que he tenido durante semanas. Algunas de ellas sobrevivieron durante meses, y esta resistencia conmocionó a los investigadores cuando comenzaron estos experimentos.

Este tipo de durabilidad es útil ya que Ting busca la mejor manera de infectar las células con virus. Su objetivo es utilizar los virus para administrar genes que hacen brillar a ciertos grupos de células humanas vivas. El brillo hace que sea más fácil estudiar las células y, en última instancia, descubrir cómo cambiar su comportamiento. Para deleite de Ting, descubrió que el virus y su carga luminiscente pueden ser entregados simplemente dejando caer líquido cargado de virus en las rodajas cerebrales vivas.

Cuando Ting y yo observamos los glóbulos rojos y verdes brillantes en el monitor de su microscopio, describió el potencial de este virus. Los investigadores no sólo podrán encontrar células cerebrales humanas raras, sino que en última instancia también podrán controlar las células. Imaginemos que la célula Von Economo, por ejemplo, puede encenderse y apagarse a voluntad, utilizando métodos que ya se están desarrollando en modelos animales.

Si las células están realmente involucradas en un trastorno de, digamos, esquizofrenia, entonces este control preciso puede llevar a un tratamiento dirigido que cambia la actividad celular en on u of, según sea necesario. En última instancia, también puede mostrar cómo pasa la información a través de estas células, para que pueda ser entendida.

Toda esta investigación ya ha dado lugar a grandes descubrimientos. Pero hay mucho más territorio desconocido que explorar, dice Koch. “El cerebro es la pieza de materia activa más compleja y altamente organizada del universo”.

Vía Science News

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