La conexión de neuronas cultivadas en laboratorio proporciona información sobre cómo funciona el cerebro
Neurocientíficos desarrollan una técnica para conectar organoides neuronales —estructuras 3D similares a cerebros en desarrollo cultivadas en el laboratorio a partir de células madre humanas— mediante haces de axones. Este avance permite representar mejor las redes cerebrales de forma experimental en el laboratorio y mejorará la comprensión y el estudio de los trastornos cerebrales relacionados con las redes de neuronas.
Por la Universidad de Tokio
Investigadores japoneses descubren que dotar a los organoides cerebrales cultivados en laboratorio de conexiones similares a las de los cerebros reales mejora su desarrollo y actividad. Crédito: Institute of Industrial Science / The University of Tokyo
La idea de cultivar tejidos similares al cerebro humano en una placa de Petri siempre ha sonado bastante descabellada, incluso para los investigadores que trabajan en neurociencia. Ahora, un equipo de investigadores japoneses y franceses ha desarrollado una técnica para conectar tejidos que imitan el cerebro cultivado en laboratorio de forma que se asemejen a los circuitos de nuestro cerebro.
Estudiar los mecanismos exactos del desarrollo y las funciones cerebrales es todo un reto. Los estudios con animales se ven limitados por las diferencias entre especies en cuanto a estructura y funcionamiento del cerebro, y las células cerebrales cultivadas en laboratorio suelen carecer de las conexiones características de las neuronas del encéfalo humano. Además, los investigadores son cada vez más conscientes de que estas conexiones interregionales, así como los circuitos que crean, son importantes para muchas de las funciones cerebrales que nos definen como seres humanos.
Estudios anteriores han intentado crear circuitos cerebrales en condiciones de laboratorio, lo que ha supuesto un avance en este campo. Investigadores de la Universidad de Tokio (Japón) acaban de hallar un modo de crear conexiones más fisiológicas entre organoides neurales cultivados en laboratorio, un tejido modelo experimental en el que se cultivan células madre humanas en estructuras tridimensionales que imitan el desarrollo del cerebro.
Un organoide es una estructura 3D cultivada en laboratorio a partir de células madre.
No hay que olvidar que un organoide es una estructura tridimensional cultivada en laboratorio a partir de células madre. Estas estructuras pueden replicar aspectos de un órgano real a nivel microscópico. Los organoides se utilizan en la investigación biomédica por varias razones: permiten estudiar el desarrollo y la fisiología de los órganos, las enfermedades que los afectan y sus mecanismos, y ofrecen un modelo para probar tratamientos farmacológicos sin la necesidad de experimentar directamente en humanos o animales.
Los organoides pueden derivarse de células madre embrionarias, células madre inducidas pluripotentes (iPSCs) o células madre de órganos específicos. A través de un proceso de cultivo en condiciones controladas, estas células pueden diferenciarse en varios tipos celulares y autoorganizarse en estructuras que imitan la complejidad y la funcionalidad de órganos como el cerebro, el hígado, los riñones, el intestino, el páncreas, y más.
Esta tecnología ha avanzado significativamente la investigación médica y farmacéutica, y ofrece nuevos caminos para entender enfermedades complejas, evaluar la seguridad y eficacia de nuevos medicamentos, y explorar trasplantes de tejido y medicina regenerativa. Los organoides también se están investigando como una posible solución para el trasplante de órganos, al proporcionar una fuente potencial de tejido compatible sin los problemas éticos y logísticos asociados con los donantes de órganos humanos.
Organoides del cerebro humano que muestran neuronas y sus dendritas (verde). Crédito: Noelia Anton Bolanos and Irene Faravelli
Para llevar a buen puerto su trabajo, el equipo japonés unió los organoides mediante haces de axones, de forma similar a como se conectan las regiones en el cerebro humano vivo. Un axón es una parte larga y delgada de una neurona —o célula nerviosa— que transmite impulsos eléctricos desde el cuerpo celular hacia otras neuronas, músculos o glándulas. Es una estructura fundamental en el sistema nervioso, responsable de la rápida transmisión de información a través de grandes distancias dentro del cuerpo.
"En los organoides neuronales individuales cultivados en condiciones de laboratorio, las células empiezan a mostrar una actividad eléctrica relativamente simple— explica Tomoya Duenki, coautor del estudio. Y añade—: Cuando conectamos dos organoides neuronales con haces de axones, pudimos ver cómo estas conexiones bidireccionales contribuían a generar y sincronizar patrones de actividad entre los organoides, y mostraban cierta similitud con las conexiones entre dos regiones dentro del cerebro".
Los haces de axones son importantes para el desarrollo de circuitos neuronales complejos.
Los organoides cerebrales conectados con haces de axones mostraron una actividad más compleja que los organoides aislados o los conectados mediante técnicas anteriores. Además, cuando el equipo de investigación estimuló los haces axonales mediante una técnica conocida como optogenética, la actividad de los organoides se alteró en consecuencia y los organoides se vieron afectados por estos cambios durante algún tiempo, en un proceso conocido como plasticidad.
"Estos hallazgos sugieren que las conexiones de los haces de axones son importantes para el desarrollo de redes complejas— explica Yoshiho Ikeuchi, autor principal del estudio. Y continúa—: En particular, las redes cerebrales complejas son responsables de muchas funciones profundas, como el lenguaje, la atención y la emoción".
Dado que las alteraciones de las redes cerebrales se han asociado a diversas afecciones neurológicas y psiquiátricas, es importante comprender mejor las redes cerebrales. La capacidad de estudiar circuitos neuronales humanos cultivados en laboratorio mejorará nuestros conocimientos sobre cómo se forman y cambian estas redes a lo largo del tiempo en diferentes situaciones, y puede conducir a tratamientos mejorados para estas afecciones.
Información facilitada por la Universidad de Tokio - Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Ediciones
Fuente: Osaki, T., Duenki, T., Chow, S.Y.A. et al. Complex activity and short-term plasticity of human cerebral organoids reciprocally connected with axons. Nature Communications (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46787-7
