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Científicos mapean diferencias prominentes en los circuitos neuronales de ratones, monos y humanos

24 de junio de 2022

El análisis del cerebro humano es un objetivo central de la neurociencia. Sin embargo, por razones metodológicas, la investigación se ha centrado en gran medida en organismos modelo, en particular el ratón. Ahora, los neurocientíficos obtuvieron nuevos conocimientos sobre los circuitos neuronales humanos utilizando tejido obtenido de intervenciones neuroquirúrgicas. Los datos del microscopio electrónico tridimensional revelaron una nueva red expandida de interneuronas en humanos en comparación con el ratón. El descubrimiento de este componente de red prominente en la corteza humana fomenta un análisis más detallado de su función en la salud y la enfermedad.

A primera vista, los cerebros de ratones y humanos son sorprendentemente similares: las células nerviosas que forman nuestros cerebros tienen formas y propiedades muy similares, los mecanismos moleculares de la excitación eléctrica están altamente conservados y muchos fenómenos biofísicos que se encuentran en otras especies parecen aplicarse también a los cerebros humanos. "Entonces, ¿es principalmente el hecho de que nuestros cerebros son 1.000 veces más grandes, albergan 1000 veces más células nerviosas lo que nos permite jugar al ajedrez y escribir libros para niños, lo que los ratones posiblemente no pueden hacer?", pregunta Moritz Helmstaedter, director del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro (Frankfurt) que dirigió el nuevo estudio publicado el 23 de junio en la revista Science.

Redes neuronales humanas, mapeadas desde diferentes partes de la corteza cerebral. La comparación conectómica con el ratón reveló redes de interneuronas a interneuronas expandidas masivamente en humanos.

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Al analizar las redes neuronales en ratones, monos y humanos y mapear su estructura completa en biopsias de tejido cerebral, los llamados conectomas, Helmstaedter y su equipo han descubierto que las redes corticales humanas han desarrollado un nuevo tipo de red neuronal que está esencialmente ausente en ratones. Esta red neuronal se basa en abundantes conexiones entre interneuronas inhibitorias. Utilizando biopsias de intervenciones neuroquirúrgicas, realizadas por el neurocirujano Hanno-Sebastian Meyer y su equipo en LA Universidad Técnica de Múnich, los investigadores aplicaron microscopía electrónica en 3 dimensiones para mapear alrededor de un millón de sinapsis en muestras de cerebro humano. Sus datos revelaron, en humanos, un sesgo inesperado de interneuronas (enriquecidas en humanos) que se conectan entre sí, mientras que la inervación (conexiones sinápticas) a las neuronas principales se mantuvo en gran medida similar. "Esto nos sugiere una expansión casi diez veces mayor de una red de interneuronas a interneuronas", dice Sahil Loomba, uno de los autores principales del estudio.

"Las interneuronas producen alrededor de un cuarto a un tercio de las células nerviosas corticales que se comportan de una manera muy peculiar: son altamente activas, sin embargo, no para activar otras neuronas, sino para silenciarlas. Al igual que los cuidadores de jardines de infantes, o los guardias en el museo: su actividad muy laboriosa y altamente consumidora de energía es mantener a los demás en paz, tranquilos", explica Helmstaedter. "Ahora imagina una sala llena de guardias del museo, todos inclinándose mutuamente. ¡Esto es lo que el cerebro humano ha desarrollado!"

Redes neuronales de ratón, macaco y corteza humana. Comparación conectómica utilizando microscopía de electrones 3d de biopsias cerebrales revela una novedosa red de interneurona a interneurona en humanos que está mayormente audente en ratones.

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Pero, ¿qué podría significar esto? El trabajo teórico ha sugerido que tales redes de silenciadores pueden prolongar el tiempo durante el cual los eventos recientes se pueden mantener en la red neuronal: expandir la memoria de trabajo. "De hecho, es muy plausible que una memoria de trabajo más larga te ayude a lidiar con tareas más complejas, ampliar tu capacidad de razonamiento", dice Helmstaedter. El nuevo descubrimiento sugiere una primera innovación de red clara en humanos que merece un intenso estudio adicional. Y añade: "También podría ser un sitio de cambio patológico, y debe estudiarse en el contexto de los trastornos neuropsiquiátricos. Y por último, pero no menos importante: ninguno de los principales métodos de IA de hoy en día utiliza tales redes de interneurona a interneurona".