Investigaciones recientes desafían una idea de larga data sobre cómo se desarrolla el cerebro: en lugar de surgir de una única fuente, el cerebro podría emerger de dos poblaciones distintas de células, según el estudio.
«El cerebro parece ser un solo órgano», dijo el coautor del estudio Kyle Loh, profesor asociado de biología del desarrollo en la Universidad de Stanford. «Sin embargo, descubrimos que la parte frontal del cerebro y la parte posterior provienen de fuentes diferentes, que se empujan entre sí para dar la apariencia de un único órgano», explicó Loh a Live Science vía correo electrónico.
Los hallazgos, publicados en septiembre en la revista Nature Neuroscience, no solo desafían modelos establecidos de cómo se forma el cerebro sino que también podrían explicar por qué los investigadores han tenido dificultades para cultivar ciertos tipos de células cerebrales en el laboratorio. Los científicos aseguran que este trabajo podría abrir nuevas vías para investigar enfermedades que afectan al tronco encefálico, la “tallo” que conecta el cerebro con la médula espinal.
Dos trayectorias del desarrollo
El cerebro humano se divide en tres regiones principales —el prosencéfalo, el mesencéfalo y el romboencéfalo— que cumplen funciones diversas pero interconectadas.
El prosencéfalo, que incluye los hemisferios cerebrales, participa en procesos cognitivos de alto nivel, como el lenguaje, la planificación y el pensamiento abstracto. El mesencéfalo, la parte más alta del tronco encefálico, conecta el prosencéfalo con el romboencéfalo y funciona como un centro clave de relevo para la información sensorial y el control del movimiento. El romboencéfalo —que comprende la parte inferior del tronco encefálico, junto con otras estructuras— también ayuda a coordinar el movimiento, así como a regular funciones esenciales como la respiración, el sueño y la frecuencia cardíaca.
Históricamente, el romboencéfalo ha sido difícil de estudiar. Una razón es que los científicos se han enfrentado a desafíos persistentes para generar neuronas del romboencéfalo funcionales en condiciones de laboratorio.
Para entender por qué, Loh y su equipo examinaron las etapas tempranas del desarrollo embrionario en ratones de laboratorio. Se centraron en la gastrulación, el momento en que las células comienzan a organizarse en estructuras que más adelante formarán varios órganos. Los investigadores identificaron dos poblaciones distintas de células inmaduras que darían lugar al tejido del sistema nervioso, incluido el cerebro.
Una población celular expresaba un gen llamado Otx2, que ayuda a dirigir el desarrollo temprano del prosencéfalo y del mesencéfalo. El segundo grupo de células expresaba el gen Gbx2, que interviene en el desarrollo del mesencéfalo y del romboencéfalo.
Las funciones de estos genes ya eran conocidas, pero su expresión distinta en estos dos grupos de células quedó al descubierto con la nueva investigación. Las poblaciones celulares permanecieron separadas a medida que se desarrollaban hasta convertirse en tejido nervioso completamente formado, y no se superpusieron.
El equipo también examinó la cromatina, la estructura molecular que envuelve el ADN de forma apretada dentro del núcleo y ayuda a regular qué genes puede utilizar una célula. Las dos poblaciones celulares muestran configuraciones de cromatina diferentes, según halló el equipo, lo que respalda aún más la idea de que siguen rutas de desarrollo separadas.
Eso podría ayudar a explicar por qué los intentos de los científicos de cultivar neuronas del romboencéfalo han resultado mayormente infructuosos.
«Los intentos previos de generar neuronas del romboencéfalo probablemente buscaron persuadir a progenitores del prosencéfalo y del mesencéfalo para que se convirtieran en células del romboencéfalo, lo cual nuestro estudio demuestra que no es posible», declaró en un comunicado Rayyan Jokhai, estudiante de posgrado en el laboratorio de Loh.
Por qué importa
Utilizando la información obtenida en sus experimentos, los investigadores lograron guiar con éxito células madre humanas para que se transformaran en neuronas motoras funcionales del romboencéfalo, las encargadas de controlar el movimiento. Específicamente, estas células produjeron proteínas características de las regiones del romboencéfalo que ayudan a controlar los músculos de la cara y los involucrados en la deglución.
En varias enfermedades neurológicas, incluida la atrofia muscular espinal y la esclerosis lateral amiotrófica, las neuronas motoras se deterioran y los pacientes afectados pueden perder la capacidad de tragar, hablar y respirar de forma independiente.
«No podemos obtener neuronas motoras vivas del romboencéfalo de un paciente para observar cómo estas enfermedades atacan a estas neuronas», dijo Loh. «Cultivar estas neuronas motoras del romboencéfalo en un plato nos da una forma de investigar estas enfermedades». Mirando hacia el futuro, el equipo espera usar sus hallazgos para estudiar estas enfermedades y precisar nuevos tratamientos.
Los nuevos hallazgos podrían revelar asimismo algo fundamental sobre la evolución de los animales vertebrados.
Los autores del estudio investigaron si estas dos vías de desarrollo eran únicas de los humanos o si reflejaban una disposición evolutiva mucho más antigua. Consultaron datos ya publicados de otras especies —incluidos los macacos (Macaca), los peces cebra (Danio rerio) y las gallinas (Gallus gallus domesticus)— y, una vez más, encontraron dos poblaciones celulares distintas que expresaban los dos genes clave.
Y, incluso en los gusanos bellota, un invertebrado marino cuya evolución se separó de la de los vertebrados hace unos 550 millones de años— volvieron a hallar estos dos grupos distintos de células.
«El hallazgo de Stanford demuestra que la profunda ascendencia del cerebro de los vertebrados es fundamentalmente modular», dijo Anna Di Cosmo, profesora de biología en la Universidad de Nápoles Federico II en Italia, quien no participó en el estudio. «La separación de desarrollo entre la línea anterior (prosencéfalo/mesencéfalo) y la línea posterior (romboencéfalo) es ancestral y claramente trazable», comentó Cosmo a Live Science por correo electrónico.
El equipo de Loh especula que estas trayectorias de desarrollo observadas en el útero podrían sugerir que las dos poblaciones de células alguna vez formaron parte de dos sistemas nerviosos distintos. «Más adelante en la evolución, estos dos sistemas nerviosos podrían haber sido empujados para dar lugar a la apariencia de un cerebro único e integrado», afirmó Loh.
Sin embargo, el estudio no revela con exactitud cuándo surgieron estas dos vías ni cómo se integraron. «Es importante enfatizar que esto es solo una idea y podría cambiar a medida que los científicos aprendan más», afirmó Loh.
