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Papel de la genética en los circuitos cerebrales
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Papel de la genética en los circuitos cerebrales

Una mirada más cercana a los circuitos cerebrales revela un papel importante de la genética.

Una reconstrucción en serie de microscopía electrónica de una sola conexión sináptica.
Crédito: Imagen cortesía de The Scripps Research Institute
Los científicos del Instituto de Investigación Scripps (TSRI) en La Jolla han revelado nuevas pistas para el cableado del cerebro. Un equipo liderado por el Profesor Asociado Anton Maximov encontró que las neuronas en las regiones cerebrales que almacenan la memoria pueden formar redes en ausencia de actividad sináptica.

"Nuestros resultados implican que el ensamblaje de circuitos neuronales en áreas requeridas para la cognición está controlado en gran parte por programas genéticos intrínsecos que operan independientemente del mundo externo", explicó Maximov.

Un fenómeno similar fue observado por el grupo del profesor Nils Brose en el Instituto Max Planck para Medicina Experimental en Alemania. Los dos estudios complementarios fueron co-publicados como artículos de portada en el número del 19 de abril de 2017 de la revista Neuron.

La pregunta de la "naturaleza contra la consolidación"

La experiencia hace que cada cerebro sea único cambiando los patrones y las propiedades de las conexiones neuronales. La visión, el oído, el olfato, el gusto y el tacto juegan papeles particularmente importantes durante la vida postnatal temprana cuando se forma la mayoría de las sinapsis. Nuevas sinapsis también aparecen en el cerebro adulto durante el aprendizaje. Estos cambios dependientes de la actividad en el cableado neuronal son impulsados ​​por neurotransmisores químicos que transmiten señales de una neurona a otra. Sin embargo, los animales y los seres humanos tienen comportamientos innatos cuyas características son consistentes a través de las generaciones, lo que sugiere que algunas conexiones sinápticas están genéticamente predeterminados.

La noción de que las neuronas no necesitan comunicarse para desarrollar redes también ha sido apoyada por descubrimientos anteriores de sinapsis en ratones que carecían de secreción transmisora ​​en todo el cerebro. Estos estudios se realizaron en el laboratorio del Profesor Thomas Südhof, que ganó el Premio Nobel 2013 de Fisiología o Medicina.

"Pensamos que estos experimentos eran bastante intrigantes", dijo Maximov, "pero también tenían una limitación importante: los ratones con sistemas nerviosos completamente discapacitados se paralizaron y murieron poco después del nacimiento, cuando los circuitos en el cerebro siguen siendo rudimentarios".

El equipo de TSRI se propuso investigar si las neuronas pueden formar y mantener conexiones con socios apropiados en animales manipulados genéticamente que viven en la edad adulta prácticamente sin actividad sináptica en el hipocampo, una región del cerebro que es crítica para el aprendizaje y el almacenamiento de memoria. "Aunque la idea puede parecer una locura a primera vista", continuó Maximov, "varias observaciones indicaron que esta tarea es técnicamente factible". De hecho, los mamíferos pueden sobrevivir con lesiones y anomalías del desarrollo que resultan en una pérdida masiva de tejido cerebral.

Inspirado en estos ejemplos, Richard Sando, estudiante graduado en el laboratorio Maximov, generó ratones cuyo hipocampo permanentemente carecía de secreción de glutamato, un neurotransmisor que activa las neuronas cuando se forma una memoria. A pesar de la aparente incapacidad de aprender y recordar, estos animales podían comer, caminar, prepararse e incluso participar en interacciones sociales rudimentarias.

Trabajando en estrecha colaboración con el profesor Mark Ellisman, que dirige el Centro Nacional de Microscopía e Investigación de Imágenes de la Universidad de California en San Diego, Sando y sus colaboradores examinaron la conectividad en áreas permanentemente inactivas. La combinación de herramientas genéticas y de imágenes contemporáneas fue fructífera: el equipo colaborativo encontró que varias etapas clave del desarrollo de circuitos neuronales que se creía que requieren actividad sináptica no fueron afectadas notablemente en su modelo de ratón.

Los resultados de los análisis ultraestructurales resultaron particularmente sorprendentes: resulta que la neurotransmisión es innecesaria para el montaje de bloques básicos de construcción de conexiones sinápticas únicas, incluidas las llamadas espinas dendríticas que reclutan complejos de señalización que permiten a las neuronas detectar el glutamato.

Maximov enfatizó que los ratones no podían funcionar normalmente. De alguna manera, su hipocampo se puede comparar a una computadora que va a través de la línea de montaje, pero nunca se conecta a una fuente de alimentación y cargado con software. Como paso siguiente, el equipo pretende explotar nuevos enfoques químico-genéticos para probar si las redes intrínsecamente formadas pueden apoyar el aprendizaje.


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