El cerebro humano es una máquina de procesamiento de información magníficamente compleja que está extremadamente fuera del alcance de ciertos tipos de investigación.
La ciencia sobrevivió al vacío moral en el que cayó la investigación del cerebro durante gran parte del siglo XX; y, por razones éticas excepcionalmente válidas, ahora existen reglas estrictas que rigen lo que los investigadores pueden hacer con cerebros humanos que los humanos todavía utilizan mucho.
Lo que los científicos pueden hacer es cultivar pequeños trozos de uno en un plato.
Estos pequeños grupos tridimensionales de tejido neuronal humano, llamados organoides cerebrales, no son cerebros completos reproducidos en forma miniaturizada.
Pero sí reproducen suficiente arquitectura celular y actividad eléctrica del cerebro como para brindar a los científicos una manera de investigar cosas que éticamente nunca podrían hurgar, pinchar, cablear y golpear repetidamente dentro del cráneo de una persona viva.
Ahora, un equipo dirigido por el neurocientífico Yoshiho Ikeuchi de la Universidad de Tokio ha desarrollado varios organoides de este tipo, los ha unido en una red y ha observado cómo “aprendían” a distinguir cuál de sus compañeros les enviaba señales.
“En conjunto, estos resultados demuestran que la entrada repetida a una red modular organizada puede reconfigurar organoides generados en condiciones idénticas en módulos funcionalmente diferenciados”, escriben los investigadores, “generando así una heterogeneidad relevante para la tarea que subyace a una mejora funcional constante in vitro”.
No, los organoides no están formando redes de masas cerebrales sensibles que se levantarán y se vengarán de sus carnosos torturadores.
Más bien, la investigación demuestra que puede ser necesaria una configuración particular de arquitectura modular antes de que el tejido neural pueda aprender a distinguir diferentes señales.
El cerebro humano no es sólo una maraña homogénea de cableado neuronal. Está organizado en regiones, cada una con su propia red local, que se comunican entre sí mediante conexiones de mayor alcance. Esta organización modular permite que diferentes partes del cerebro desempeñen diferentes funciones, sin dejar de ser parte de un todo en red.
Pero los requisitos mínimos para que el tejido neural desarrolle circuitos funcionales no se comprenden del todo. Con la creciente sofisticación de los modelos de organoides cerebrales, Ikeuchi y su equipo naturalmente recurrieron a las masas cerebrales como medio para investigar el problema.
Las manchas en sí se cultivan a partir de células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPSC), básicamente, células humanas maduras que han sido reprogramadas en un estado similar a las células madre, lo que les da la capacidad de desarrollarse en muchos tipos diferentes de células si se las induce en la dirección correcta.
Ikeuchi y su equipo lograron que sus hiPSC se convirtieran en tejido cerebral, lo que les dio a los investigadores una serie de pequeños trozos de tejido neuronal con los que experimentar.
Colocaron estos trozos en chips especiales cubiertos con pequeños electrodos, lo que permitió a los investigadores estimular los organoides con señales eléctricas y registrar su actividad neuronal.
Algunos chips tuvieron una masa cerebral. Algunos obtuvieron dos. Y algunos obtuvieron tres.
Luego, los investigadores los dejaron durante más de dos semanas, dando tiempo a los organoides agrupados en cada chip para desarrollar axones (las largas proyecciones de las células nerviosas que transportan señales) y formar conexiones.
Las grabaciones tomadas después de este período mostraron actividad eléctrica sincronizada entre los organoides agrupados, lo que confirma que habían formado redes funcionales.
Luego, llegó el momento de The Zappening (es un misterio por qué alguien podría pensar que los organoides podrían querer venganza. Un completo enigma).
Todos los días durante dos semanas, los investigadores estimularon eléctricamente las redes neuronales en dos lugares diferentes, 100 veces en cada lugar, mientras registraban la actividad neuronal resultante en otras partes del chip.
Para los chips con un organoide, los zaps se administraron en dos lugares de ese único organoide. Para los chips con dos organoides, ambos conjuntos de descargas fueron a uno, mientras que la actividad cerebral se registró en el otro. Y para los chips con tres organoides, los zaps se dividieron entre dos, mientras que la actividad cerebral se registró desde el tercero, el no zaps.
La idea era ver si la estimulación repetida eventualmente enseñaría al tejido neural a responder de manera diferente dependiendo de dónde viniera la señal.
Para averiguarlo, los investigadores utilizaron algoritmos de aprendizaje automático para analizar los patrones de actividad cerebral después de cada descarga y les pidieron que identificaran cuál de las dos ubicaciones había sido estimulada.
Al comienzo del experimento, los investigadores seleccionaron deliberadamente sitios de estimulación que producían respuestas difíciles de diferenciar. Los algoritmos sólo pudieron identificar la fuente correctamente aproximadamente la mitad de las veces, lo que coincide con lo que se obtendría al adivinar.
Después de The Zappening, empezó a surgir una imagen diferente.
No para los organoides individuales y los pares: sus respuestas a las dos señales seguían siendo difíciles de diferenciar.
Pero en las redes de tres organoides, las dos señales se volvieron cada vez más distinguibles de la actividad que producían en el tercer organoide. Las respuestas también se volvieron más rápidas, más estables y más diferenciadas espacialmente.
Y las redes de tres organoides que no fueron sometidas a The Zappening no mostraron la misma mejora, lo que sugiere que el cambio no fue simplemente el resultado de que las manchas pasaran otras dos semanas creciendo en un plato.
Las propias señales repetidas parecían haber impulsado la reorganización de las redes neuronales.
Es una forma muy básica de aprendizaje y, de hecho, está muy lejos del complejo procesamiento de información que realiza un cerebro humano real y desarrollado.
Pero los resultados, dicen los investigadores, sugieren que organizar el tejido neuronal en módulos conectados con diferentes funciones puede ayudarlo a desarrollar la capacidad de distinguir entre diferentes fuentes de información.
Dado que la discriminación básica de señales es un requisito fundamental para el procesamiento de información más compleja, el resultado ofrece a los investigadores una nueva forma de investigar cómo surgen funciones neuronales cada vez más sofisticadas.
“Probar organoides con señales más complejas y tareas sofisticadas será fundamental para futuras investigaciones”, escriben los investigadores.
“Los estudios futuros deberían centrarse en identificar posibles ‘células nodales’ o ‘neuronas centrales’ que faciliten las conexiones dentro y entre los organoides; combinar esto con análisis bioquímicos y moleculares podría revelar la base mecanicista de los cambios en la plasticidad y la conectividad sinápticas”.
La investigación ha sido publicada en Communications Biology.
Este artículo fue verificado por Rebecca Dyer y editado por Rebecca Dyer. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.