Los cerebros grandes imponen exigencias adicionales a las neuronas.Crédito: Science Images Ltd/SPL
Los humanos hemos desarrollado cerebros desproporcionadamente grandes en comparación con nuestros parientes primates, pero esta mejora neuronal ha tenido un costo. Los científicos que exploran esta compensación han descubierto rasgos genéticos únicos que muestran cómo las células cerebrales humanas afrontan el estrés de mantener en funcionamiento un cerebro grande. Este trabajo podría inspirar nuevas líneas de investigación para comprender enfermedades como la enfermedad de Parkinson y la esquizofrenia.
El estudio fue publicado en el servidor de preimpresión bioRxiv el 15 de noviembre.1Se centra en las neuronas que producen el neurotransmisor dopamina, que es fundamental para el movimiento, el aprendizaje y el procesamiento emocional.
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Al comparar miles de neuronas de dopamina cultivadas en laboratorio de humanos, chimpancés, macacos y orangutanes, los investigadores encontraron que las neuronas de dopamina humanas expresan una mayor cantidad de genes que promueven la actividad antioxidante que reduce el daño que las de otros primates.
Los hallazgos, que aún no han sido revisados por pares, son un paso hacia “comprender la evolución del cerebro humano y todas las posibles cosas negativas y positivas que conlleva”, dice Andre Souza, neurocientífico de la Universidad de Wisconsin. Madison. “Es interesante e importante intentar comprender realmente qué es específico del cerebro humano, con el potencial de desarrollar nuevos tratamientos o incluso evitar enfermedades por completo en el futuro”.
Neuronas estresadas
Así como caminar erguido provocó problemas de rodilla y espalda, y los cambios en la estructura de la mandíbula y la dieta provocaron problemas dentales, la rápida expansión del cerebro humano a lo largo del tiempo evolutivo ha creado desafíos para sus células, dice el coautor del estudio Alex Pullen, coautor del estudio. -autor del estudio. Neurocientífico de la Universidad de California, San Francisco. “Presumimos que podría estar ocurriendo el mismo proceso y que estas neuronas de dopamina podrían representar articulaciones débiles”.
Utilizando una herramienta de imágenes, Bollen y sus colegas demostraron que las dos áreas del cerebro que requieren dopamina son mucho más grandes en los humanos que en los macacos. La corteza prefrontal es 18 veces más grande y el cuerpo estriado es aproximadamente siete veces más grande.
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Sin embargo, los humanos tienen el doble de neuronas dopaminérgicas que sus parientes primates, dice Bollen. En consecuencia, estas neuronas deben expandirse aún más y trabajar más duro (cada una formando más de dos millones de sinapsis) en el cerebro humano, más grande y complejo.
“Las neuronas de dopamina son verdaderos atletas”, dice Nenad Sestan, neurocientífico del desarrollo de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut. “Está constantemente activado”.
Para comprender cómo se adaptan las neuronas dopaminérgicas humanas para hacer frente a las demandas de un cerebro grande, Bollen y sus colegas cultivaron versiones de estas células en el laboratorio.
Combinaron células madre, que pueden convertirse en muchos tipos de células, de ocho humanos, siete chimpancés, tres macacos y un orangután, y las cultivaron hasta convertirlas en estructuras en miniatura parecidas a cerebros llamadas organoides. Después de 30 días, estas estructuras comenzaron a producir dopamina, simulando el desarrollo cerebral.
Luego, el equipo secuenció genéticamente las neuronas de dopamina para medir qué genes estaban activados y cómo se controlaban.
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Al analizar las neuronas humanas y de chimpancé, los investigadores descubrieron que las neuronas humanas expresan niveles más altos de genes que controlan el estrés oxidativo, un tipo de daño celular que puede ser causado por el proceso de producción de dopamina que consume mucha energía. Estos genes codifican enzimas que descomponen y neutralizan moléculas tóxicas, llamadas especies reactivas de oxígeno, que pueden dañar las células.
Para investigar si las neuronas dopaminérgicas humanas habían desarrollado respuestas únicas al estrés, los investigadores utilizaron un insecticida que causa estrés oxidativo en los organismos. Descubrieron que las neuronas que se desarrollaron a partir de células humanas tenían una mayor producción de una molécula conocida como BDNF, que se reduce en personas con trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Parkinson. No vieron la misma respuesta en las neuronas de los chimpancés.
Mejorar la flexibilidad
Comprender estos mecanismos de protección podría ayudar a desarrollar tratamientos que estimulen las defensas celulares en personas con riesgo de desarrollar la enfermedad de Parkinson. “Algunas de estas protecciones pueden no estar presentes en todos debido a mutaciones”, dice Souza. “Esto crea una vulnerabilidad adicional en estos individuos”.
“Hay algunos objetivos candidatos que sería muy interesante perturbar y luego plantar [animal] “Modelos de la enfermedad de Parkinson para ver si da mayor plasticidad a las neuronas”, dice Bolin.
Los organoides del estudio representan neuronas en desarrollo, equivalentes a las de un feto, y no capturan completamente la complejidad de las neuronas adultas. Las investigaciones futuras deberán explorar cómo estos mecanismos protectores se mantienen en las neuronas maduras y envejecidas, dice Souza, porque “las enfermedades degenerativas que afectan a estas células generalmente ocurren a una edad más avanzada”.