Crean el primer atlas celular del cerebro de ratones, que identifica 70 neuronas y sus funciones

Neuronas
BALDWIN / THE SCRIPPS RESEARCH INSTITUTE - Archivo
Publicado 02/11/2018 12:41:26CET

MADRID, 2 Nov. (EUROPA PRESS) -

Las investigadoras Catherine Dulac y Xiaowei Zhuang, de la Universidad de Harvard (Estados Unidos), han descrito en un artículo en la revista 'Science' el primer atlas celular del hipotálamo de los ratones, en el que han identificado más de 70 tipos diferentes de neuronas y sus diversas funciones.

Usando tecnología de imágenes de vanguardia, la hibridación in situ resistente a la fluorescencia robusta por error multiplexado (MERFISH, por sus siglas en inglés), estas científicas han examinado más de un millón de células en un bloque cerebral de 2x2x0,6 milímetros. "Esto nos da una visión de la organización celular, molecular y funcional del cerebro. Nadie había combinado esas tres vistas antes. Este trabajo en sí mismo es un gran avance porque ahora entendemos varios comportamientos como nunca antes, pero también porque esta tecnología se puede usar en cualquier parte del cerebro para cualquier tipo de función", explica Dulac.

El estudio surgió del deseo de abordar lo que Dulac denominó un problema biológico fundamental y un gran desafío tecnológico. "El problema es que para estudiar el cerebro es necesario comprender sus componentes, y esos componentes son las células. Entonces, si examinas un pedazo de tejido y miras los genes expresados por las células, sabes cuántos tipos de células, pero hay un gran problema: tales técnicas requieren que los investigadores desasocien a las células del tejido, y en el proceso pierden la información de cómo se organizaron las células en el tejido", puntualizan.

Siguiendo su desarrollo de STORM, una técnica de imágenes de ultraresolución que les permitió obtener imágenes de moléculas individuales con resolución a escala nanométrica, Zhuang fijó su mirada en la imagen no solo de tipos de moléculas individuales, sino de todas las moléculas que funcionan en la célula. "No tenemos solo uno o dos tipos diferentes de moléculas en nuestras células, tenemos entre miles y decenas de miles de genes que se expresan para hacer la maquinaria molecular que da a las células su función. Quería poder visualizar todos esos genes a la vez, por eso desarrollamos MERFISH", detalla.

COMPRENDER CÓMO FUNCIONA EL CEREBRO

Armados con MERFISH, Dulac, Zhuang y sus colegas se dispusieron a abordar aquellas cuestiones biológicas fundamentales que han frustrado a los científicos que intentan comprender cómo funciona el cerebro. "Hay áreas en el cerebro que se han estudiado, como la corteza, donde se ha demostrado que las células estaban organizadas de una manera particular, pero hay muchas áreas del cerebro para las que no conocemos sus principios de organización. El área que observamos en este estudio, el hipotálamo, es absolutamente esencial para muchas funciones: controla cosas como la sed, la alimentación, el sueño y comportamientos sociales como la crianza y la reproducción, pero no sabemos cómo está organizado", argumentan las investigadoras.

Para desentrañar ese misterio, Dulac y Zhuang combinaron MERFISH con otro método llamado secuenciación de ARN de una sola célula, que permite una cuantificación imparcial de los perfiles de expresión génica de las células. "Esto no solo permitió que los tipos de células se catalogaran en el hipotálamo, sino que también proporcionó firmas moleculares de estos tipos de células y facilitó la selección de paneles de genes para la obtención de imágenes MERFISH", comenta Zhuang.

Basados en estas firmas moleculares y otros genes de importancia funcional, utilizaron MERFISH para visualizar simultáneamente más de 150 genes en la región preóptica del hipotálamo para identificar los tipos de células in situ y crear un mapa espacial de dónde se ubicaban las células. "Nos permitieron identificar alrededor de 70 subtipos neuronales diferentes, la mayoría de los cuales antes eran desconocidos. Además, vimos las distribuciones espaciales de los 70 tipos neuronales, así como las de tipos de células no neuronales", añade Zhuang.

"Lo que se puede ver es que hay una organización espacial exquisita. Se puede ver qué neuronas están más próximas, y no solo eso, sino también se puede comprobar cómo se comunican entre sí. Además, debido a que las imágenes MERFISH tienen una sensibilidad muy alta, fuimos capaces de identificar genes de baja expresión que son críticos para la función celular", expone la investigadora.

GEN C-FOS

Con esta información, el equipo se dispuso a vincular células con comportamientos específicos, y la solución llegó en forma de un gen llamado c-Fos. Conocido como lo que se denomina gen de expresión rápida, la transcripción de c-Fos aumenta durante la actividad neuronal, por lo que si los investigadores pueden rastrear qué células muestran incrementos en el gen, pueden identificar las células que se activan durante comportamientos particulares.

Por eso, permitieron que un animal realizara algún comportamiento, como la crianza de los hijos, por ejemplo. Cuando observaron qué células son positivas para c-Fos, comprobaron que solo esas células son parte del comportamiento de crianza. "Gracias a MERFISH, sabemos qué genes se expresan en esas células. Así que podemos definir qué células están involucradas en un comportamiento en particular de una manera que antes no podíamos. Esto es extraordinariamente preciso, podemos ver dónde están esas células... así que es un mapa celular, un mapa molecular y un mapa funcional, todos juntos", asegura Dulac.

Además de la crianza, Dulac, Zhuang y sus colegas identificaron células responsables de otros comportamientos, incluida la agresión y el apareamiento, y aunque encontraron puntos en común sorprendentes, también hubo diferencias interesantes dependiendo de si los ratones eran padres o machos vírgenes o hembras. En el futuro, las investigadoras esperan explorar más a fondo la estructura del hipotálamo, incluso idear formas de comprender mejor cómo las células están conectadas entre sí.

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