Cuando hizo clic para leer esta historia, una banda de células en la parte superior de su cerebro envió señales por su columna vertebral y hacia su mano para decirle a los músculos de su dedo índice que presionen hacia abajo con la cantidad justa de presión para activarsu mouse o trackpad.
Una gran cantidad de nuevos estudios ahora muestra que el área del cerebro responsable de iniciar esta acción, la corteza motora primaria, que controla el movimiento, tiene hasta 116 tipos diferentes de células que trabajan juntas para que esto suceda.
Los 17 estudios, que aparecen en línea el 6 de octubre en la revista Naturaleza , son el resultado de cinco años de trabajo de un gran consorcio de investigadores apoyados por la iniciativa Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud para identificar la miríada de diferentes tipos de células en una parte del cerebro.es el primer paso en un proyecto a largo plazo para generar un atlas de todo el cerebro para ayudar a comprender cómo las redes neuronales en nuestra cabeza controlan nuestro cuerpo y mente y cómo se interrumpen en casos de problemas mentales y físicos.
"Si piensa en el cerebro como una máquina extremadamente compleja, ¿cómo podríamos entenderlo sin primero descomponerlo y conocer las partes?", Preguntó la neurocientífica celular Helen Bateup, profesora asociada de ciencias moleculares y celulares de la Universidad de California, Berkeley.biología y coautor del artículo insignia que sintetiza los resultados de los otros artículos ". La primera página de cualquier manual de cómo funciona el cerebro debe leer: Aquí están todos los componentes celulares, así es como muchos de ellos hay, aquíes donde se encuentran y con quién se conectan ".
Investigadores individuales han identificado previamente docenas de tipos de células según su forma, tamaño, propiedades eléctricas y qué genes se expresan en ellos. Los nuevos estudios identifican aproximadamente cinco veces más tipos de células, aunque muchos son subtipos de tipos de células bien conocidos.Por ejemplo, las células que liberan neurotransmisores específicos, como el ácido gamma-aminobutírico GABA o el glutamato, tienen cada una más de una docena de subtipos que se distinguen entre sí por su expresión génica y patrones de activación eléctrica.
Si bien los artículos actuales abordan solo la corteza motora, la Red de Censos Celulares de la Iniciativa BRAIN BICCN, creada en 2017, se esfuerza por mapear todos los diferentes tipos de células en todo el cerebro, que consta de más de 160 mil millones de células individuales,tanto neuronas como células de soporte llamadas glía. La Iniciativa BRAIN fue lanzada en 2013 por el entonces presidente Barack Obama.
"Una vez que tenemos todas esas partes definidas, podemos subir un nivel y comenzar a comprender cómo esas partes funcionan juntas, cómo forman un circuito funcional, cómo eso finalmente da lugar a percepciones y comportamientos y cosas mucho más complejas,"Dijo Bateup.
Junto con el exprofesor de UC Berkeley, John Ngai, Bateup y su colega Dirk Hockemeyer ya han utilizado CRISPR-Cas9 para crear ratones en los que un tipo de célula específico está marcado con un marcador fluorescente, lo que les permite rastrear las conexiones que estas células hacen a lo largo dePara el artículo insignia de la revista, el equipo de Berkeley creó dos cepas de ratones reporteros "knock-in" que proporcionaron herramientas novedosas para iluminar las conexiones de los tipos de células recientemente identificadas, dijo.
"Una de nuestras muchas limitaciones en el desarrollo de terapias efectivas para los trastornos del cerebro humano es que simplemente no sabemos lo suficiente sobre qué células y conexiones se ven afectadas por una enfermedad en particular y, por lo tanto, no podemos identificar con precisión qué y dónde necesitamos", dijo Ngai, quien dirigió los esfuerzos de la Iniciativa Cerebral de UC Berkeley antes de ser elegido el año pasado para dirigir toda la iniciativa nacional". La información detallada sobre los tipos de células que componen el cerebro y sus propiedades permitirá en última instancia el desarrollo de nuevas terapiaspara enfermedades neurológicas y neuropsiquiátricas. "
Ngai es uno de los 13 autores correspondientes del artículo principal, que tiene más de 250 coautores en total.
Bateup, Hockemeyer y Ngai colaboraron en un estudio anterior para perfilar todos los genes activos en células productoras de dopamina en el cerebro medio del ratón, que tiene estructuras similares a los cerebros humanos. Esta misma técnica de perfilado, que implica identificar todo el ARN mensajero específicomoléculas y sus niveles en cada célula, fue empleado por otros investigadores del BICCN para perfilar las células en la corteza motora. Este tipo de análisis, que utiliza una técnica llamada secuenciación de ARN unicelular, o scRNA-seq, se conoce como transcriptómica.
La técnica scRNA-seq fue uno de casi una docena de métodos experimentales separados utilizados por el equipo de BICCN para caracterizar los diferentes tipos de células en tres mamíferos diferentes: ratones, titíes y humanos. Cuatro de ellos involucraron diferentes formas de identificar los niveles de expresión génica ydeterminar la arquitectura de la cromatina del genoma y el estado de metilación del ADN, que se llama epigenoma. Otras técnicas incluyeron grabaciones electrofisiológicas clásicas de pinza de parche para distinguir las células por cómo disparan los potenciales de acción, categorizar las células por forma, determinar su conectividad y observar dónde están las célulasubicados espacialmente dentro del cerebro. Varios de estos utilizaron el aprendizaje automático o la inteligencia artificial para distinguir los tipos de células.
"Esta fue la descripción más completa de estos tipos de células, y con alta resolución y diferentes metodologías", dijo Hockemeyer. "La conclusión del artículo es que hay una superposición y una coherencia notables en la determinación de los tipos de células con estos diferentes métodos".
Un equipo de estadísticos combinó datos de todos estos métodos experimentales para determinar la mejor manera de clasificar o agrupar células en diferentes tipos y, presumiblemente, diferentes funciones basadas en las diferencias observadas en la expresión y los perfiles epigenéticos entre estas células.algoritmos para analizar esos datos e identificar grupos, el desafío era determinar qué grupos eran realmente diferentes entre sí tipos de células verdaderamente diferentes, dijo Sandrine Dudoit, profesora de UC Berkeley y directora del Departamento de Estadística. Ella y la bioestadística ElizabethPurdom, profesor asociado de estadística de UC Berkeley, fueron miembros clave del equipo estadístico y coautores del artículo principal.
"La idea no es crear otro nuevo método de agrupamiento, sino encontrar formas de aprovechar las fortalezas de diferentes métodos y combinar métodos y evaluar la estabilidad de los resultados, la reproducibilidad de los grupos que se obtienen", dijo Dudoit."Ese es realmente un mensaje clave sobre todos estos estudios que buscan nuevos tipos de células o nuevas categorías de células: no importa qué algoritmo intente, obtendrá grupos, por lo que es clave tener realmente confianza en sus resultados".
Bateup señaló que la cantidad de tipos de células individuales identificados en el nuevo estudio dependía de la técnica utilizada y variaba de docenas a 116. Un hallazgo, por ejemplo, fue que los humanos tienen aproximadamente el doble de tipos diferentes de neuronas inhibidoras que neuronas excitadorasen esta región del cerebro, mientras que los ratones tienen cinco veces más.
"Antes, teníamos algo así como 10 o 20 tipos de células diferentes que se habían definido, pero no teníamos idea de si las células que estábamos definiendo por sus patrones de expresión génica eran las mismas que las definidas en función de sus propiedades electrofisiológicas,o lo mismo que los tipos de neuronas definidos por su morfología ", dijo Bateup.
"El gran avance del BICCN es que combinamos muchas formas diferentes de definir un tipo de célula y las integramos para llegar a una taxonomía de consenso que no solo se basa en la expresión génica o en la fisiología o morfología, sino que toma todas esas propiedades", dijo Hockemeyer." Entonces, ahora podemos decir que este tipo de célula en particular expresa estos genes, tiene esta morfología, tiene estas propiedades fisiológicas y se encuentra en esta región particular de la corteza.comprensión granular de qué es ese tipo de célula y sus propiedades básicas ".
Dudoit advirtió que los estudios futuros podrían mostrar que la cantidad de tipos de células identificados en la corteza motora es una sobreestimación, pero los estudios actuales son un buen comienzo para ensamblar un atlas de células de todo el cerebro.
"Incluso entre los biólogos, hay opiniones muy diferentes sobre cuánta resolución debe tener para estos sistemas, si existe esta estructura de agrupamiento muy, muy fina o si realmente tiene tipos de células de nivel superior que son más estables", dijo."Sin embargo, estos resultados muestran el poder de la colaboración y la unión de esfuerzos entre diferentes grupos. Comenzamos con una pregunta biológica, pero un biólogo por sí solo no podría haber resuelto ese problema. Para abordar un problema tan desafiante como ese, ustedqueremos un equipo de expertos en un montón de disciplinas diferentes que sean capaces de comunicarse bien y trabajar bien entre sí ".
Otros miembros del equipo de UC Berkeley incluyeron a los científicos postdoctorales Rebecca Chance y David Stafford, el estudiante graduado Daniel Kramer, el técnico de investigación Shona Allen del Departamento de Biología Celular y Molecular, el estudiante de doctorado Hector Roux de Bézieux de la Escuela de Salud Pública y el postdoctoralel colega Koen Van den Berge del Departamento de Estadística. Bateup es miembro del Instituto de Neurociencia Helen Wills, Hockemeyer es miembro del Instituto de Genómica Innovadora y ambos son investigadores financiados por Chan Zuckerberg Biohub.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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