¿Cuándo se desarrollan nuestros primeros pensamientos? ¿Se encienden en la infancia, en algún lugar del útero, o incluso antes, cuando el cerebro es sólo un grupo de células en ciernes? Los científicos y filósofos han estado luchando con esto durante décadas, tratando de descubrir si el pensamiento está integrado en nuestros genes desde el principio o si está moldeado enteramente por la experiencia.
Un nuevo estudio en Nature Neuroscience ofrece una pista intrigante. Utilizando organoides cerebrales cultivados en laboratorio, científicos de la Universidad de California en Santa Cruz, junto con colaboradores en Alemania y Suiza, descubrieron que las neuronas comienzan a activarse en patrones reconocibles similares a la información mucho antes de que cualquier sistema sensorial esté activo. En otras palabras, el cerebro podría estar precargado con una especie de plantilla interna para leer el mundo, incluso antes de que el mundo llegue a nosotros.
Estos hallazgos profundizan nuestra comprensión de cómo se forma el cerebro y podrían ayudar a los investigadores a estudiar los trastornos del neurodesarrollo o cómo las toxinas influyen en el desarrollo fetal.
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Los organoides cerebrales 3D pueden imitar el funcionamiento del cerebro
Debido a que el cerebro primitivo está alojado dentro del útero, observar sus primeras señales eléctricas siempre ha sido un desafío. Las neuronas se activan para transmitir información (como el sistema operativo de una computadora), pero determinar con precisión cuándo se activa ese sistema es prácticamente imposible en un embrión humano. Entonces, el equipo recurrió a los organoides cerebrales, grupos tridimensionales de tejido neuronal cultivados a partir de células madre humanas y de ratón.
Los organoides no son réplicas perfectas de un cerebro, pero ofrecen algo que los cultivos simples no pueden ofrecer: una disposición más realista de tipos y estructuras celulares. También se desarrollan sin exposición sensorial, lo que los hace ideales para probar si los patrones de activación temprana están programados genéticamente en lugar de aprendidos.
“Cultivamos organoides cerebrales para observar esta versión primordial del sistema operativo del cerebro y estudiar cómo el cerebro se construye antes de ser moldeado por la experiencia sensorial”, dijo el autor principal del estudio, Tal Sharf, profesor asistente de ingeniería biomolecular en la Escuela de Ingeniería Baskin, en un comunicado de prensa.
Para rastrear las señales eléctricas de los organoides, los investigadores utilizaron microchips personalizados. Su objetivo era observar cuándo aparece la actividad organizada y si depende de que el cerebro reciba información del mundo exterior.
Procesamiento de información sin ninguna entrada
A medida que los organoides se ensamblaron a partir de células madre en tejido neural temprano, los microchips comenzaron a captar señales eléctricas estructuradas. Durante los primeros meses de desarrollo, mucho antes de que un feto real pueda ver u oír, las neuronas ya generaban patrones asociados con el procesamiento de información sensorial.
Para localizar la actividad eléctrica de neuronas individuales en organoides, los investigadores utilizaron este chip de matriz de microelectrodos basado en CMOS.
(Crédito de la imagen: Carolyn Lagattuta/ UC Santa Cruz/ CC BY-SA)
“Estas células interactúan claramente entre sí y forman circuitos que se autoensamblan antes de que podamos experimentar algo del mundo exterior”, dijo Sharf.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que el cerebro tiene un “modo predeterminado” de actividad, un patrón de activación básico que se vuelve más especializado después de que llega la información sensorial. Sorprendentemente, los organoides mostraron patrones muy parecidos a ese modo predeterminado, incluso en neuronas individuales.
Sin siquiera encontrar luz, sonido o tacto, estos pequeños grupos de tejido ya estaban produciendo secuencias de disparo basadas en el tiempo que parecían listas para convertirse en vías sensoriales. Sugiere que el cerebro en desarrollo comienza con un modelo interno en lugar de una pizarra en blanco.
Tratamiento de los trastornos del neurodesarrollo lo antes posible
Los hallazgos indican que estas secuencias de disparo tempranas no se construyen únicamente a través de la experiencia, sino que están limitadas por una arquitectura preconfigurada establecida durante el desarrollo. Es posible que la evolución haya equipado al sistema nervioso con un mapa inicial que lo prepara para manejar el mundo desde el momento en que se activan los sentidos.
Esto podría transformar la forma en que los científicos estudian los trastornos del desarrollo neurológico. Si el cableado más temprano ya prepara el escenario para la función cerebral posterior, las alteraciones (genéticas o ambientales) pueden dejar patrones detectables mucho antes de lo que se creía anteriormente.
“Eso nos permitiría desarrollar terapias, trabajar con médicos a nivel preclínico para desarrollar potencialmente compuestos, terapias farmacológicas y herramientas de edición genética que podrían ser más baratas, más eficientes y de mayor rendimiento”, dijo Sharf.
En última instancia, la investigación sugiere que nuestra capacidad para procesar información comienza sorprendentemente temprano. Mucho antes de nuestras primeras experiencias, las neuronas ya están ensayando los ritmos que algún día nos permitirán interpretar el mundo.
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