Más de cien años después del descubrimiento de la neurona por el neuroanatomista Santiago Ramón y Cajal, los científicos continúan profundizando en el conocimiento del cerebro y su desarrollo. En una publicación en Science Advances el 5 de abril, un equipo del Institut Pasteur y el CNRS, en colaboración con la Universidad de Harvard, reveló nuevos conocimientos sobre cómo las células en las capas externas del cerebro interactúan inmediatamente después del nacimiento durante la formación del cerebelo, el región del cerebro hacia la parte posterior del cráneo. Los científicos demostraron un nuevo tipo de conexión entre células precursoras neuronales a través de nanotubos, incluso antes de la formación de sinapsis, las uniones convencionales entre neuronas.
En 2009, el equipo de Chiara Zurzolo (Unidad de Patogénesis y Tráfico de Membranas del Institut Pasteur) identificó un mecanismo novedoso para la comunicación directa entre células neuronales en cultivo a través de túneles nanoscópicos, conocidos como nanotubos de túnel. Estos están involucrados en la propagación de varias proteínas tóxicas que se acumulan en el cerebro durante las enfermedades neurodegenerativas. Por lo tanto, los nanotubos pueden ser un objetivo adecuado para el tratamiento de estas enfermedades o cánceres, donde también están presentes.
En este nuevo estudio, los investigadores descubrieron túneles nanoscópicos que conectan células precursoras en el cerebro, más específicamente el cerebelo, un área que se desarrolla después del nacimiento y es importante para hacer ajustes posturales para mantener el equilibrio, a medida que maduran y se convierten en neuronas. Estos túneles, aunque de tamaño similar, varían en forma de uno a otro : algunos contienen ramas y otros no, algunos están envueltos por las células que conectan mientras que otros están expuestos a su entorno local. Los autores creen que estas conexiones intercelulares (IC) pueden permitir el intercambio de moléculas que ayudan a las células preneuronales a migrar físicamente a través de varias capas y llegar a su destino final a medida que se desarrolla el cerebro.
Curiosamente, los circuitos integrados comparten similitudes anatómicas con los puentes que se forman cuando las células terminan de dividirse. « Los circuitos integrados podrían derivar de la división celular pero persistir durante la migración celular, por lo que este estudio podría arrojar luz sobre los mecanismos que permiten la coordinación entre la división celular y la migración implicados en el desarrollo del cerebro. Por otro lado, los circuitos integrados establecidos entre células postmitóticamente podrían permitir el intercambio directo entre más allá de las conexiones sinápticas habituales, lo que representa una revolución en nuestra comprensión de la conectividad cerebral. Mostramos que no solo hay sinapsis que permiten la comunicación entre las células en el cerebro, también hay nanotubos », dice el Dr. Zurzolo, autor principal y director del Unidad de Patogénesis y Tráfico de Membranas (Institut Pasteur/CNRS).
Para lograr estos descubrimientos, los investigadores utilizaron un método de microscopía electrónica tridimensional (3D) y células cerebrales de modelos de ratones para estudiar cómo las regiones del cerebro se comunican entre sí. De este modo, podrían reconstruirse mapas de redes neuronales de muy alta resolución. El volumen de cerebelo en 3D producido y utilizado para el estudio contiene más de 2000 células. « Si realmente quieres entender cómo se comportan las células en un entorno tridimensional y mapear la ubicación y distribución de estos túneles, tienes que reconstruir un ecosistema completo del cerebro, lo que requiere un esfuerzo extraordinario con veinte o más personas involucradas durante 4 años », dijo el primer autor del artículo, Diego Cordero.
Para enfrentar los desafíos de trabajar con la amplia gama de tipos de células que contiene el cerebro, los autores utilizaron una herramienta de inteligencia artificial para distinguir automáticamente las capas corticales. Además, desarrollaron un programa de código abierto llamado CellWalker para caracterizar las características morfológicas de los segmentos 3D. El bloque de tejido se reconstruyó a partir de imágenes de secciones del cerebro. Este programa, que está disponible gratuitamente, permitirá a los científicos analizar rápida y fácilmente la información anatómica compleja integrada en este tipo de imágenes de microscopio.
El siguiente paso será identificar la función biológica de estos túneles celulares para entender su papel en el desarrollo del sistema nervioso central y en otras regiones del cerebro, y su función en la comunicación entre células cerebrales en enfermedades neurodegenerativas y cánceres. Las herramientas computacionales desarrolladas se pondrá a disposición de otros equipos de investigación de todo el mundo.