Imagínese mirar la tierra desde el espacio y poder escuchar lo que las personas se dicen entre sí.Eso es lo desafiante que es comprender cómo funciona el cerebro.
Desde la superficie arrugada del órgano, amplíe un millón de veces y verá un caleidoscopio de células de diferentes formas y tamaños, que se ramifican y se extienden entre sí.Zoom en otras 100,000 veces y verá el funcionamiento interno de las células: las pequeñas estructuras en cada una, los puntos de contacto entre ellos y las conexiones de larga distancia entre las áreas del cerebro.
Scientists have made maps such as these for the worm1 and fly2 brains, and for tiny parts of the mouse3 and human4 brains.Pero esos gráficos son solo el comienzo.Para comprender realmente cómo funciona el cerebro, los neurocientíficos también necesitan saber cómo cada uno de los aproximadamente 1,000 tipos de células que se cree que existen en el cerebro se hablan entre sí en sus diferentes dialectos eléctricos..Con ese tipo de mapa completo y finamente contorneado, realmente podrían comenzar a explicar las redes que impulsan cómo pensamos y nos comportamos.
La red del censo de células de la iniciativa cerebral: la corteza motora
Tales mapas están surgiendo, incluso en una serie de artículos publicados esta semana que catalogan los tipos de células en el cerebro.Los resultados se están convirtiendo en los esfuerzos del gobierno para comprender y detener la carga creciente de los trastornos cerebrales en sus poblaciones que envejecen.Estos proyectos, lanzados durante la última década, tienen como objetivo trazar sistemáticamente las conexiones del cerebro y catalogar sus tipos de células y sus propiedades fisiológicas.
Es una empresa onerosa."Pero conocer todos los tipos de células cerebrales, cómo se conectan entre sí y cómo interactúan, abrirá un conjunto completamente nuevo de terapias que ni siquiera podemos imaginar hoy", dice Josh Gordon, director del Instituto Nacional de los Estados Unidos deSalud mental (NIMH) en Bethesda, Maryland.
Los proyectos más grandes comenzaron en 2013, cuando el gobierno de los Estados Unidos y la Comisión Europea lanzaron esfuerzos de "Moonshot" para proporcionar servicios a los investigadores que ayudarán a descifrar el Código del Cerebro de Mammalian.Cada uno vertió vastos recursos en programas sistemáticos a gran escala con diferentes objetivos..El esfuerzo de los Estados Unidos, que se estima que costará US $ 6.6 mil millones hasta 2027: se ha centrado en desarrollar y aplicar nuevas tecnologías de mapeo en su iniciativa de investigación en el avance de neurotecnologías innovadoras) (ver "Big Brain Presupcks").La Comisión Europea y sus organizaciones asociadas han gastado 607 millones de euros ($ 703 millones) en el Proyecto Human Brain (HBP), que está dirigido principalmente a crear simulaciones de los circuitos del cerebro y usar esos modelos como plataforma para experimentos.
Inspirado en estos esfuerzos, que inicialmente se centraron en ratones, en 2014 Japón lanzó su proyecto Brain/Minds (mapeo cerebral por neurotecnologías integradas para estudios de enfermedades), una gran parte de las cuales implica mapeo de redes neuronales en el cerebro del marmés..Desde entonces, otros países, incluidos Canadá, Australia, Corea del Sur y China, se han lanzado o se comprometieron a lanzar generosos programas de ciencia cerebral con objetivos más distribuidos.
Estas obras en progreso ya están generando conjuntos de datos colosales y diversos, todos los cuales estarán abiertos a la comunidad.En diciembre de 2020, por ejemplo, el HBP lanzó su plataforma Ebrains para proporcionar acceso a conjuntos de datos en varias escalas, las herramientas digitales para analizarlas y los recursos para realizar experimentos (https: // eBrains.UE).
Uno de los esfuerzos más grandes y mejor financiados, financiados por la Iniciativa Brain, es un catálogo gigante de tipos de células creados por la Red de Censo de Celulares de la Iniciativa Brain (BICCN), un consorcio de 26 equipos en las instituciones de investigación estadounidenses.El catálogo describe cuántos tipos de células cerebrales diferentes hay, en qué proporciones existen y cómo están dispuestos espacialmente.
"Comprender el cerebro requiere conocimiento de sus elementos básicos y cómo se organizan", dice Josh Huang, miembro de Biccn, neurobiólogo de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte."Es nuestro punto de partida para descubrir cómo se construye un circuito neuronal y funciona, y en última instancia para comprender los comportamientos complejos que impulsan esos circuitos."
Un censo de tipos de células en la corteza motora del cerebro
El BICCN publica un tramo de 17 documentos en la naturaleza el 7 de octubre;Ya se han publicado varios otros artículos en toda la cartera de Nature.El consorcio ha mapeado los tipos de células en alrededor del 1% del cerebro del ratón y tiene algunos datos preliminares sobre cerebros de primates, incluidos los humanos.Planea completar todo el cerebro del ratón para 2023.Los mapas ya insinúan algunas pequeñas diferencias entre especies que podrían ayudar a explicar nuestra susceptibilidad a algunas afecciones específicas del ser humano, como la enfermedad de Alzheimer..
Los neurocientíficos están particularmente entusiasmados de que el BICCN esté creando herramientas que se dirigen a tipos y circuitos de células particulares relevantes para la enfermedad, lo que ayudará a probar hipótesis sobre la función cerebral y desarrollar terapias.
El catálogo celular es una piedra de toque muy necesaria, dice el neurocientífico Christof Koch, científico jefe del programa Mindscope en el Allen Institute for Brain Science en Seattle, Washington.“Nada en la química tiene sentido sin la tabla periódica, y nada tendrá sentido para comprender el cerebro sin comprender la existencia y la función de los tipos de células."
Tipo cazador
Hace más de un siglo, el neurocientífico español Santiago Ramón y Cajal fue el primero en mostrar cuántos tipos de células diferentes había en el cerebro de los mamíferos.Manchó las neuronas para que pudieran verse bajo un microscopio, y luego hicieron dibujos precisos y hermosos de sus formas..Entre las pocas docenas de tipos que encontró, algunos tenían extensiones, o axones, que alcanzaron los cuerpos celulares glojos como las piernas de las arañas a largas distancias.Algunos tenían axones cortos;Otros se parecían más a las estrellas.Dedujo que, debido a que los axones de cada celda estaban muy cerca de los cuerpos celulares de otros, probablemente estaban transmitiendo información.Compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1906 para sus descubrimientos..
Desde entonces, la mayoría de los estudios de los tipos de células se han centrado en la corteza del cerebro, que controla muchos de los comportamientos más sofisticados de un animal.En las últimas tres décadas, los neurocientíficos han resuelto que hay tres clases principales de células en la corteza, para las cuales los linajes se remontan a diferentes etapas de desarrollo.Estos incluyen dos clases de neurona: inhibitoria y excitadora.Ambos transmiten pulsos eléctricos, pero el primero suprime la actividad en las neuronas asociadas y el otro lo incita.La tercera clase comprende una gran cantidad de células no neuronales que apoyan y protegen las neuronas.
A lo largo de las décadas, los neurocientíficos han utilizado todas las nuevas tecnologías adecuadas que se suponen para ajustar la definición de lo que constituye un tipo de célula distinto en estas clases.Las células que se ven superficialmente se ven iguales, los investigadores se dieron cuenta, podrían ser diferentes tipos de células, dependiendo de sus conexiones con otras células cerebrales o regiones, o sus propiedades eléctricas.
Al mismo tiempo, los investigadores estaban recopilando datos sobre cómo las neuronas se conectan en redes y cuáles son las propiedades de las redes.(Cuando se lanzó el HBP, se centró en generar los algoritmos y el poder informático para ayudar a los investigadores a simular cómo estas redes podrían funcionar juntas.)
De la década de 1990, los investigadores comenzaron a estudiar la actividad de los genes en diferentes tipos de células y cómo su expresión reflejaba sus propiedades.
En 2006, el Instituto Allen creó un atlas de expresión de genes que muestra en qué parte del cerebro del ratón se expresan cada uno de sus aproximadamente 21,000 genes.Tomó 3 años para alrededor de 50 empleados construir el Atlas de Allen Brain One Gen a la vez, y su valor fue reconocido instantáneamente por la comunidad de neurociencia.Se actualiza regularmente y continúa siendo ampliamente utilizado como referencia, lo que ayuda a los científicos a ubicar dónde se expresa su gen de interés o para estudiar el papel de un gen particular en una enfermedad..
Aún así, la comunidad quería más. “We wanted to be able to see every gene that is expressed in every cell at the same time," says Hongkui Zeng, director of the Allen Institute for Brain Science.Los diferentes patrones de expresión génica en células individuales permitirían a los investigadores definir qué tipo de célula eran, una tarea ambiciosa porque el cerebro de ratón contiene más de 100 millones de células, dos tercios de las cuales son neuronas.(El cerebro humano es tres órdenes de magnitud más grande, con más de 170 mil millones de células, de las cuales la mitad son neuronas.)
Una tecnología que cambia el juego que surgió a mediados de la década de 2000 prometió ayudar a lograr esto.Los científicos habían desarrollado una forma de secuenciar ARN en células individuales, una técnica que ha transformado todas las áreas de biología en la última década.El transcriptoma de una célula, el ARN que representa una lectura de todos sus genes que codifican proteínas, es un indicador de qué proteínas está haciendo la célula en un momento dado..
En 2017, la iniciativa cerebral decidió financiar una red de laboratorios, incluido el Allen Institute como un jugador importante, para usar este método y otras tecnologías, incluso más nuevas, para mapear y caracterizar los tipos de células en todo el cerebro (ver 'Métodos de mapeo').Dos años después, los científicos de Biccn estaban listos para comenzar su esfuerzo.
Frenesí de secuenciación
Para su proyecto piloto, los investigadores eligieron un objetivo modesto: un pequeño rincón del cerebro del ratón conocido como la corteza motora, que procesa información sobre la planificación y ejecución del movimiento.La corteza motora tiene contrapartes inequívocas en todos los mamíferos, lo que permite comparar los resultados de ratones, humanos y otras especies.Midieron el contenido de ARN en más de 1.1 million individual cells and analysed how it clustered5.El esfuerzo tomó alrededor de diez científicos de Biccn solo tres meses.
Encontraron 56 grupos distintos, cada uno considerado para representar un tipo de célula diferente.Una gran pregunta es si la clasificación genética de una célula coincide con todo lo demás, incluida la forma en que dispara, qué forma tiene y dónde se proyecta, dice Ed Lein del Allen Institute..
Lea el documento: un censo de células multimodales y atlas de la corteza motora primaria de mamíferos
Hasta ahora, parece coincidir, dice.LEIN lideró un proyecto BICCN paralelo que analizó el tejido cerebral fresco eliminado de un individuo durante la cirugía de cáncer cerebral, utilizando un método particularmente poderoso llamado Patch -Seq que permite tres tipos distintos de medición de una sola célula..La técnica utiliza una pipeta de vidrio especial que se sujeta a la membrana de la célula, registra su actividad eléctrica, infunde un colorante en la célula para que su anatomía se pueda visualizar y luego chupa el contenido de la célula para el análisis de transcriptome.
The team showed that cells with a common transcriptomic pattern also shared the same distinct shape and firing patterns6. “This indicates that transcriptomics can serve as a Rosetta stone for interpreting cell diversity and predicting cellular properties," says Lein.
Los científicos fuera de la colaboración ya se han inspirado en los resultados, particularmente el descubrimiento de que las neuronas de una sola clase pueden ser muy diferentes entre sí.
Hace dos años, la neurocientífica Anne Churchland en la Universidad de California, Los Ángeles, comenzó a diseñar un conjunto de experimentos en ratones para ver si esa diversidad importaba en neuronas excitadoras. Her early results, which have not been peer reviewed7, suggest that it might: different excitatory neurons fire at different times as mice perform a listening task. “We are at a really exciting stage," she says.
Cerebros más grandes
En la siguiente fase del censo celular, los equipos se centrarán más en cerebros más grandes.Algunos de este trabajo ya han comenzado. RNA sequencing of post-mortem marmoset and human brains has revealed remarkable consistency in cell types across species6.¿Qué explica, entonces, el poder cognitivo notablemente superior de los humanos?
“The major take-home message from these studies is that the general blueprint of cell types is conserved across species," says Lein.“Aún así, puede encontrar evidencia de especializaciones de especies que son bastante significativas, incluso si son solo variantes de un tema." The BICCN transcriptomic studies show a greater diversity of cell types in the human brain than in the mouse brain, particularly in neurons that are most recently evolved. One of these corresponds to a type of neuron known to be selectively depleted in Alzheimer’s disease8.
Además, la relación de diferentes tipos de células varía entre humanos, titíes y ratones.Estas propiedades podrían ayudarnos a comprender mejor las enfermedades específicas del ser humano, dice Lein.
Lein ahora está realizando un análisis transcriptómico en 100 cerebros post mortem de personas que tenían la enfermedad de Alzheimer cuando murieron.Comparar estos mapas específicos de la enfermedad con los mapas de referencia del BICCN revelará más sistemáticamente el más vulnerable de nuestras células, dice..
Otra diferencia destacada por los estudios de BICCN es el gran cambio en el equilibrio de neuronas excitadoras e inhibitorias en la corteza entre ratones, titíes y humanos. The ratio is 2:1 in humans, compared with 3:1 in marmosets and 5:1 in mice6.Ese es un hallazgo sorprendente y bastante misterioso, señala Lein. “These cumulative differences could lead to profound changes in how the human cortex is organized and functions," he says.
Lo que hace que el cerebro humano sea especial se reducirá a las diferencias en la diversidad celular, las proporciones de los tipos de células, el cableado del cerebro y probablemente mucho más, dice el neurocientífico John Ngai, quien dirige la iniciativa del cerebro de los Estados Unidos en Bethesda, Maryland.."No hay una respuesta simple a esta antigua pregunta."
De mapas a medicina
Uno de los próximos pasos para la iniciativa del cerebro, dice NGAI, será construir herramientas que sean selectivamente tipos de células particulares en circuitos relevantes para la enfermedad y entregan moléculas terapéuticas que pueden ajustar esos circuitos hacia arriba o hacia abajo..
The targeting method that researchers are particularly excited about relies on the BICCN’s discovery of short snippets of DNA that are unique to individual cell types9. These short sequences can serve as markers for those cell types, allowing researchers to create mouse strains in which they can target different cells and manipulate the cells’ activity10 — and therefore the activity of the associated circuits.Tanto la ciencia básica como la medicina se beneficiarán. “The ability to target every cell in the brain will be a great support for fundamental research," says Edvard Moser at the Kavli Institute for Systems Neuroscience in Trondheim, Norway, who shared the 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine for his work on navigation in the brain.
These tools will also be “enormously important" for gene therapy, a treatment that replaces a gene that is missing or broken, says Botond Roska at the Institute for Molecular and Clinical Ophthalmology in Basel, Switzerland.Roska está probando la primera terapia optogenética del mundo, en la que las proteínas sensibles a la luz se insertan en neuronas en la retina, en personas con cierto tipo de ceguera. He says it took him 19 years from deciding to identify the appropriate cells in the retina to publishing the successful treatment of the first individual11 in May.Las actividades de BICCN acelerarán la investigación para los científicos que trabajan en otras áreas del cerebro en el futuro, dice.
Los desarrolladores de drogas para condiciones psiquiátricas y neurológicas deben considerar el tipo de célula, pero hasta ahora esto no ha sido posible, dice Gordon."En este momento, estamos arrojando medicamentos a todas las células a la vez sin saber a qué células afectan, por eso muchos de nuestros tratamientos en psiquiatría y neurología tienen efectos secundarios significativos.."
Alejando
Conocer las partes del cerebro es una cosa.Saber cómo trabajan juntos es otro.Algunos de los grandes proyectos cerebrales, junto con varios grupos de investigación independientes en todo el mundo, están trabajando en la organización espacial de los tipos de células y sus conexiones, conocidas como Connectomes, para muchas especies, incluidos ratones y humanos..
Para hacer esto, los científicos manchan el cerebro y luego lo cortan en capas ultrafinas, cuyas imágenes son capturadas por un microscopio electrónico.Luego apilan las imágenes y usan inteligencia artificial para rastrear la ruta 3D de cada celda.La resolución es tan fina que expone todas las sinapsis: estructuras pequeñas en la membrana de una célula que forjan conexiones químicas con otras células.
La búsqueda de secretos del cerebro humano
Los científicos del campus de investigación de Janelia en Ashburn, Virginia, esperan completar el Connectome de mosca de la fruta el próximo año.La escala del esfuerzo requerido para especies más grandes significa que más conectomas son años, si no décadas, de distancia.El BICCN planea crear un mapa anatómico en 3D de todo el cerebro del ratón utilizando microscopía electrónica de alta resolución, proporcionando el aumento de mil millones de reducción de los trabajos internos de las células.Los científicos que trabajan en el Proyecto Brain/Minds de Japón están rastreando el Connectome del tití, y un puñado de grupos fuera de los proyectos de gran cerebro respaldados por el gobierno, incluidos tres en los diferentes institutos de la Sociedad Max Planck de Alemania, están trabajando en Connectomes de otros grandes mamíferos.
Los esfuerzos actuales están limitados por la potencia computacional requerida para reconstruir incluso las motas más pequeñas de tejido cerebral. But these small volumes of connectome are still useful, says Moritz Helmstaedter, a director of the Max Planck Institute for Brain Research in Frankfurt, Germany, because “we can start to ask exciting questions about how our circuits are shaped by our individual experience or evolutionary predisposition".
Barreras cerebrales
La mayoría de los neurocientíficos piensan que los grandes proyectos de mapeo son clave para el futuro del campo, pero algunos siguen siendo cautelosos.El neurofisiólogo Tony Movshon en la Universidad de Nueva York es escéptico de que el conocimiento detallado de los tipos de células y los conectomas sea de ayuda inmediata. “We already knew some cell types from morphology and other classifications before anyone did a transcriptomic analysis, and we are still completely at sea," he says.“Saber que hay tipos genéticamente distintos no serán muy útiles en el corto plazo para comprender cómo funciona un circuito."
But tools that enable the tagging or manipulation of particular cell types will be “terrific", he says."Hubiéramos aprendido mucho más si hubiéramos sabido más sobre las células de las que estamos registrando."
Movshon también había sido escéptico del Proyecto del Genoma Humano (HGP) cuando se lanzó en 1990, pero, nuevamente, dice, los spin-offs del proyecto, incluidas las herramientas que habilitaron el trabajo del censo celular, fueron transformadores.
Los científicos ven muchos otros paralelos entre los esfuerzos de BICCN y HGP, en términos de ideas científicas y herramientas de investigación.Una vez que se completó el borrador del genoma humano en 2001, los investigadores se dieron cuenta de que los humanos no tienen significativamente más genes que los ratones..Descubrieron que, para dar sentido a cómo funcionaba el sistema, necesitaban algo más que el catálogo básico de las piezas.Necesitaban capas adicionales de información sobre cómo y cuándo se expresan los genes y cómo los genes se influyen entre sí e interactúan con el medio ambiente.
El desafío es similar para el BICCN, pero su alcance finalmente eclipsará el del HGP, dice Huang.“El genoma es solo un tipo de información, una cadena de nucleótidos;El tipo de celda Atlas es muchos tipos diferentes de información.."
A medida que continúa el flujo de datos del censo de células, los investigadores están trabajando en formas de combinar la información en un "marco de coordenadas común", una especie de cerebro de referencia para una especie en particular.De esta manera, se pueden extraer múltiples tipos de información de una sola ubicación.
La plataforma Ebrains de HBP está creando su propio marco de coordenadas común.Es un desafío computacional enorme pero esencial para vincular diferentes tipos de información biológica en el mismo espacio, de modo que se pueden comparar los estudios en, y eventualmente, entre, las especies, dice Wim Vanduffel, neurofisiólogo de la Universidad Católica de Lovaina en Bélgica, quienes parte del esfuerzo de HBP. “Common frameworks serve as anchoring points," he says.
El HBP y el BICCN están discutiendo cómo vincular sus datos juntos. “The BICCN is bottom-up and we are top-down," says Katrin Amunts, a neuroscientist at the Heinrich Heine University of Düsseldorf, Germany, and the HBP’s scientific research director.
El objetivo final es construir un observatorio que pueda integrar los datos de todos estos proyectos en una gran imagen unificada..Hace cuatro años, con eso en mente, los investigadores de los proyectos de Big Brain se reunieron para crear la Iniciativa del Cerebro Internacional, una organización floja con la tarea principal de ayudar a los neurocientíficos a encontrar formas de agrupar y analizar sus datos.
En el horizonte distante se encuentra la posibilidad de piratear los circuitos del cerebro para remediar los trastornos cerebrales, dice Koch.
“The brain is the most staggeringly complex piece of highly active matter in the Universe," he says."No hay una bala mágica para agrietarse cómo funciona, pero tener el hardware básico conducirá a una comprensión mecanicista de sus circuitos."
