El primer atlas del cerebro humano explica qué nos hace humanos

Ahora, las revistas 'Science', 'Science Advances' y 'Science Translational Medicine' publican un total de 21 estudios que presentan el primer atlas del cerebro humano y de primates no humanos a nivel de tipos celulares, con un detalle sin precedentes.

Este monumental esfuerzo colectivo ha permitido caracterizar más de 3.000 tipos de células cerebrales humanas, revelando características que nos distinguen de otros primates en algunos aspectos. El hallazgo es comparable al Proyecto Genoma Humano.

Comprender el cerebro humano con esta resolución no solo ayudará a los científicos a identificar qué tipos celulares se ven más afectados por mutaciones específicas que conducen a enfermedades neurológicas. Por ejemplo, podrían suponer una puerta de entrada para entender las causas de enfermedades como el autismo o trastornos psiquiátricos, con un origen embrionario, o enfermedades neurodegenerativas como la demencia, el párkinson, o el alzhéimer, cuya manifestación tiene lugar en la vejez.

También ofrecerá una nueva comprensión de quiénes somos como especie. Como reconocía recientemente a ABC Rafael Yuste, ideólogo del proyecto BRAIN, y Director del Centro de NeuroTecnología de la Universidad de Columbia, Nueva York, «al igual que en el siglo XX, la genética y la biología molecular supusieron un cambio para la biología, en el XXI será el de la neurociencia. Será una revolución para la especie humana; lo comparo con un nuevo Renacimiento. El conocerse a sí mismo empezó en el Renacimiento. Y sus repercusiones serán de todo tipo, y por supuesto médicas, humanísticas, económicas».

Los estudios forman parte de la Red de Censo Celular de la Iniciativa del Cerebro de los Institutos Nacionales de la Salud (EE.UU.), un programa lanzado en 2017.

Como parte de este esfuerzo, cientos de científicos de todo el mundo colaboraron en una variedad de estudios, aprovechando las tecnologías más avanzadas de biología molecular. «Estas técnicas tradicionalmente se han utilizado en estudios preclínicos que involucran roedores y otros modelos experimentales», escribe Mattia Maroso, editor de 'Science'.

Los estudios se organizan en torno a cinco temas principales: atlas de células individuales en humanos adultos; atlas de células individuales en primates no humanos adultos; análisis comparativos de células individuales que comparan la composición celular en el cerebro humano versus el de primates no humanos; análisis de células individuales en el desarrollo del cerebro humano y primates no humanos, y análisis de la función y anatomía de los tipos celulares neuronales humanos y primates no humanos.

El trabajo principal lo constituyen tres estudios, que son la base del primer borrador del mapa de células cerebrales humanas.

Así, el estudio dirigido por Nelson Johansen, del Instituto Allen de Investigación del Cerebro (EE.UU.), analizó la variación del tipo celular en el cerebro en 75 adultos humanos sometidos a cirugías por epilepsia y tumores. El trabajo muestra cómo varían las células cerebrales entre individuos, lo que proporciona una referencia para la tipificación celular en la salud y la enfermedad.

Otro de los estudios, dirigido por Nikolas Jorstad, del mismo centro de investigación, explora cómo la variación en los tipos celulares está influenciada por la región cerebral.

Comprender qué características de la organización celular del cerebro son específicas de los humanos en comparación con los primates no humanos es un objetivo clave del proyecto.

El trabajo de Jorstad utilizó la más moderna tecnología de análisis en humanos adultos, chimpancés, gorilas, macacos rhesus, etc. Entre otros hallazgos, el equipo mostró que las neuronas de los chimpancés se parecen más a las neuronas de los gorilas que a las humanas, a pesar de que los chimpancés y los humanos comparten un ancestro común más reciente.

Otros dos estudios, realizados en el Instituto Karolinska (Suecia), proporcionan pistas sobre diferentes enfermedades cerebrales y ofrecen esperanzas para futuros avances médicos, como nuevos medicamentos contra el cáncer.

En colaboración con Ed Lein, del Instituto Allen, usando tres cerebros humanos donados por adultos, se analizaron más de tres millones de núcleos celulares individuales utilizando la técnica de secuenciación de ARN, que revela la identidad genética de cada célula. En total, estudiaron células de poco más de cien regiones cerebrales y encontraron más de 3.000 tipos celulares, de los cuales aproximadamente el 80 por ciento eran neuronas y el resto eran diferentes tipos de células gliales.

«Gran parte de la investigación se ha centrado en la corteza cerebral, pero la mayor diversidad de neuronas la encontramos en el tronco encefálico», señala Sten Linnarsson. «Creemos que algunas de estas células controlan comportamientos innatos, como reflejos de dolor, miedo, agresión y sexualidad».

Los investigadores también pudieron observar que la identidad de las células refleja el lugar en el cerebro donde se desarrollaron por primera vez en el feto. En colaboración con el consorcio sueco para el Atlas Celular del Desarrollo Humano analizaron más de un millón de núcleos celulares individuales de 27 embriones en diferentes etapas de desarrollo (entre 5 y 14 semanas de fertilización).

El estudio permitió a los investigadores mostrar cómo se desarrolla y se organiza todo el cerebro a lo largo del tiempo.

Aunque los resultados son ejemplos de investigación básica de biología molecular, el nuevo conocimiento generado también puede sentar las bases para avances médicos. Por ejemplo, el grupo de Linnarsson ha utilizado métodos similares para examinar diferentes tipos de tumores cerebrales.

«Las células tumorales se parecen a células madre inmaduras y parece que están intentando formar un cerebro, pero de una manera totalmente desorganizada - explica-. Lo que observamos fue que estas células cancerosas activaron cientos de genes específicos para ellas, y podría ser interesante investigar si existe algún potencial para encontrar nuevos objetivos terapéuticos».

De los ocho artículos publicados en 'Science Advances', el trabajo dirigido por René Wilbers, de la Universidad de Ámsterdam (Países Bajos) explora cómo las interneuronas de rápida sincronización en humanos mantienen frecuencias de sincronización rápidas a pesar de distancias neuronales más grandes que sus contrapartes en ratas.

Otro de los estudios, publicado en 'Science Translational Medicine' y dirigido por Seth Ament, de la Universidad de Maryland (EE.UU.), se centra en la inflamación en las primeras etapas de la vida, un factor de riesgo clínicamente establecido para varios trastornos neurológicos.

Los investigadores examinaron tejidos cerebrales post mortem donados de 17 niños que murieron entre uno y cinco años, ocho por condiciones que involucraron inflamación y nueve por accidentes. Ninguno de los donantes había sido diagnosticado con un trastorno neurológico antes de la muerte. Los dos grupos eran similares en edad, género, raza/etnia y tiempo desde la muerte.

Centrándose en el cerebelo, una área del cerebro particularmente vulnerable a las perturbaciones postnatales, el estudio encontró que dos tipos específicos y raros de neuronas cerebelosas eran las más vulnerables a la inflamación cerebral: las neuronas Golgi y Purkinje. A nivel de células individuales, estos dos tipos de neuronas mostraron una interrupción prematura de su maduración.

A l igual que con muchas enfermedades, tanto la genética como el entorno, en este caso la inflamación, probablemente contribuyan al riesgo de desarrollar estos trastornos. Por eso es crucial comprender los roles de células específicas dentro de las regiones cerebrales, así como cómo interactúan con los genes para influir en la función cerebral, para encontrar tratamientos para trastornos cerebrales, como el TEA y la esquizofrenia, así como otros, como la demencia, la enfermedad de Parkinson o los trastornos por uso de sustancias.

En resumen, los científicos están convencido que este monumental trabajo de investigación permitirá abordar cuestiones científicas fundamentales sobre el cerebro humano y su organización genética.