Cuando se trata de entrenar circuitos neuronales para aplicaciones biomédicas o de ingeniería de tejidos, un nuevo estudio sugiere un parámetro clave: entrenarlos jóvenes.
Las técnicas para entrenar circuitos neuronales diseñados por lo general implican entrenarlos después de que las células hayan madurado por completo. Usando neuronas sensibles a la luz derivadas de células madre de ratón, investigadores de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign encontraron que entrenarlos a lo largo del desarrollo celular temprano y la redLa formación condujo a mejoras duraderas en las conexiones, la capacidad de respuesta y la expresión genética de la red neuronal resultante. Publicaron sus resultados en la revista Informes científicos.
"Es como un perro viejo que aprende nuevos trucos frente a un cachorro joven", dijo el estudiante graduado Gelson Pagan-Diaz, primer autor del estudio. "Cuando entrenamos una red, si la estimulamos cuando todavía es como uncachorro, podemos obtener una mejor respuesta al entrenamiento que si ya estuviera maduro ".
El entrenamiento neuronal mejorado tiene muchas aplicaciones en bioingeniería y medicina regenerativa. Por ejemplo, el equipo de Illinois espera usar circuitos neuronales entrenados para controlar el movimiento y el comportamiento de máquinas biohíbridas en miniatura. Los tipos de mejoras producidas por el entrenamiento temprano podríanmáquinas y circuitos más funcionalidad y dan a los investigadores un control más preciso sobre esas funciones.
"A medida que avanzamos en el campo de la construcción de máquinas con células vivas, poder estimular y programar células y redes neuronales con luz al comienzo de su desarrollo podría ser una herramienta importante en nuestro repositorio de ingeniería", dijo el líder del estudio, Rashid Bashir, profesorde bioingeniería y decano del Grainger College of Engineering en Illinois. "Además, este trabajo podría tener implicaciones para la biología del desarrollo, la medicina regenerativa y la investigación del cerebro".
Para entrenar las neuronas, los investigadores utilizaron pulsos de luz cronometrados para estimular las células. Los investigadores comenzaron el régimen de entrenamiento cuando las células estaban en una etapa temprana de su desarrollo: grupos de células madre, llamados cuerpos embrioides, preparados para convertirse en neuronas motoras.Continuaron el entrenamiento a medida que las células se diferenciaban, convirtiéndose en neuronas completamente maduras, y lo continuaron después de transferir las células a placas para conectarse y formar circuitos neuronales.
Luego compararon los primeros circuitos entrenados con los cultivados primero y entrenados después, el método habitual.
Los investigadores vieron una serie de diferencias entre los grupos, dijo Pagan-Diaz. En las neuronas entrenadas durante el desarrollo, vieron más extensiones que indicaban conexiones entre las células, un aumento en los paquetes de neurotransmisores enviados entre las células y una activación nerviosa más estructurada, lo que indicamayor estabilidad de la red. Los efectos del entrenamiento temprano fueron duraderos, mientras que las células entrenadas más tarde tendieron a tener respuestas transitorias.
"Se puede pensar que las neuronas son como atletas en entrenamiento", dijo Pagan-Diaz. "La estimulación con luz fue como un entrenamiento regular para las neuronas: eran más fuertes y atléticas, e hicieron mejor su trabajo".
Para determinar la base subyacente de estos cambios, los investigadores analizaron la actividad genética de las neuronas. Observaron un aumento en la expresión de genes relacionados con la madurez de la red y la función neuronal, lo que indica que el entrenamiento temprano podría haber alterado permanentemente las vías genéticas comocélulas desarrolladas, dijo Bashir.
Los investigadores continúan explorando qué tipos de actividades podrían mejorarse o programarse mediante el entrenamiento temprano de las neuronas en la fase del cuerpo embrioide. Los cuerpos embrioides podrían ser componentes básicos útiles para las máquinas biológicas, dijo Pagan-Diaz, y también son prometedores paramedicina regenerativa.
"Estudios anteriores han demostrado que los cuerpos embrioides con neuronas motoras implantadas en ratones que habían sido lesionados podrían mejorar la regeneración de tejido", dijo Pagan-Diaz. "Si podemos mejorar o mejorar la funcionalidad de estos cuerpos embrioides antes de colocarlosen un modelo lesionado, entonces, teóricamente, podríamos mejorar la recuperación más allá de lo que se ha visto con inyectarlos y luego estimularlos más tarde ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Oficina de noticias . Original escrito por Liz Ahlberg Touchstone. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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