El análisis de células individuales revela un extenso panorama de cambios genéticos en el cerebro después de una experiencia sensorial
"La expresión 'Naturaleza y Medio Ambiente' auna bajo dos conceptos distintos los innumerables elementos de que se compone la personalidad. La naturaleza es todo lo que un hombre trae consigo al mundo; Medio Ambiente es toda influencia externa que lo afecta después de su nacimiento." Francis Galton, primo de Charles Darwin, 1874.
¿Es la naturaleza o el medio ambiente lo que finalmente da forma a un ser humano? ¿Las acciones y los comportamientos son el resultado de los genes o del medio ambiente? Las variaciones de estas preguntas han sido exploradas por innumerables filósofos y científicos a través de milenios. Sin embargo, a medida que los biólogos continúan comprendiendo mejor los mecanismos que subyacen a la función cerebral, es cada vez más evidente que esta dicotomía debatida durante tanto tiempo puede no ser ninguna dicotomía.
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| IMAGEN: Este es un barrido de neuronas de corteza cerebral etiquetadas con diferentes colores. Por Lichman Lab. Harward University |
En un estudio publicado en la revista Nature Neuroscience, neurocientíficos
de la Facultad de Medicina de Harvard revelan cuán inexorablemente entrelazados
están la naturaleza y el medio ambiente en el cerebro del ratón. Utilizando
nuevas tecnologías desarrolladas en Harvard, el equipo analizó cómo una única
experiencia sensorial afecta la expresión génica en el cerebro mediante el
análisis de más de 114,000 células individuales en la corteza visual del ratón
antes y después de la exposición a la luz.
Sus hallazgos revelaron un paisaje rico y diverso de cambios
en la expresión génica en todos los tipos de células, involucrando 611 genes
diferentes, muchos vinculados a la conectividad neuronal y la capacidad del
cerebro para reconectarse en el proceso de aprendizaje y adaptación.
Los resultados ofrecen información sobre cómo las ráfagas de
actividad neuronal que duran solo milisegundos desencadenan cambios duraderos
en el cerebro y abren nuevos campos de exploración para comprender cómo
funciona el cerebro.
"Lo que encontramos es, en cierto sentido,
sorprendente. En respuesta a la estimulación visual, prácticamente todas las
células de la corteza visual responden de una manera diferente", según el
coautor Michael Greenberg. "Esto en esencia responde a la pregunta
largamente formulada sobre la naturaleza y el medio ambiente: ¿son los genes o
el medio ambiente? Son ambos, y así es como se unen"
Desvelando el proceso
Los neurocientíficos han sabido que los estímulos
(experiencias sensoriales como el tacto o el sonido, los cambios metabólicos,
las lesiones y otras experiencias ambientales) pueden desencadenar la
activación de programas genéticos en el cerebro.
Compuesto por una amplia gama de diferentes células, el
cerebro depende de una compleja orquesta de funciones celulares para llevar a
cabo sus tareas. Los científicos han buscado durante mucho tiempo comprender
cómo las células individuales responden a diversos estímulos. Sin embargo,
debido a limitaciones tecnológicas, los estudios genéticos previos se centraron
principalmente en poblaciones mixtas de células, oscureciendo los matices
críticos en el comportamiento celular.
Para construir una imagen más completa, los investigadores dejaron
a los ratones en total oscuridad para
calmar la corteza visual, el área del cerebro que controla la visión. Luego
expusieron a los ratones a un haz de luz y estudiaron cómo afectaba a los genes
dentro del cerebro visual. Utilizando la tecnología desarrollada por el
laboratorio de Klein conocida como inDrops, rastrearon qué genes se activaron o
desactivaron en decenas de miles de células individuales antes y después de la
exposición a la luz.
El equipo encontró cambios significativos en la expresión
génica después de la exposición a la luz en todos los tipos de células en la
corteza visual, tanto neuronas como, inesperadamente, células no neuronales
como astrocitos, macrófagos y células musculares que recubren los vasos
sanguíneos en el cerebro.
Aproximadamente del 50 al 70 por ciento de las neuronas
excitatorias, por ejemplo, exhibieron cambios independientemente de su
ubicación o función. Sorprendentemente, dijeron los autores, una gran
proporción de células no neuronales, casi la mitad de todos los astrocitos, por
ejemplo, también exhibió cambios. El equipo identificó miles de genes con
patrones de expresión alterados después de la exposición a la luz, y 611 genes
que tenían al menos el doble de aumentos o disminuciones.
Muchos de estos genes se han relacionado previamente con la
remodelación estructural en el cerebro, lo que sugiere que prácticamente toda
la corteza visual, incluidas las células de tipos musculares y vasculares,
pueden someterse a un recableado controlado genéticamente en respuesta a una
experiencia sensorial.
Estos resultados podrían ser la respuesta a la controversia entre los neurocientíficos sobre
si la expresión génica podría controlar funcionalmente la plasticidad o la conectividad
entre las neuronas. "Creo que nuestro estudio sugiere que este es el caso,
y que cada célula tiene un programa genético único que define la función de esta célula determinada dentro
de un circuito neuronal", según Greenberg.
Una mina de preguntas
Estos hallazgos abren una amplia gama de posibilidades para
su posterior estudio, dijeron los autores de la investigación. Por ejemplo,
cómo los programas genéticos afectan la función de tipos celulares específicos,
cómo varían a lo largo de la vida y cómo la disfunción en estos programas
podría contribuir a la enfermedad, lo que podría ayudar a los científicos a
aprender más sobre el funcionamiento fundamental del cerebro.
"La experiencia y los estímulos ambientales parecen
afectar casi constantemente la expresión génica y la función en todo el
cerebro. Esto puede ayudarnos a comprender cómo procesos tales como el
aprendizaje y la formación de memoria, que requieren cambios a largo plazo en
el cerebro, surgen de los cortos estallidos de actividad eléctrica a través de
la cual las neuronas se comunican entre sí ", según Greenberg.
Un área de investigación especialmente interesante, según
Greenberg, incluye los elementos reguladores que controlan la expresión de
genes en respuesta a la experiencia sensorial. En un artículo publicado en la
revista Molecular Cell, se exploraba la
actividad del complejo de proteínas FOS / JUN, que se expresa a través de
diferentes tipos de células en el cerebro, pero parece regular programas únicos
en cada tipo de célula.
Identificar los elementos reguladores que controlan la
expresión génica es fundamental porque pueden explicar las diferencias en la
función cerebral de un ser humano a otro, y también pueden ser la base de
trastornos como el autismo, la esquizofrenia y la enfermedad bipolar, según los
investigadores.
"Estamos sentados en una mina de oro de preguntas que
pueden ayudarnos a comprender mejor cómo funciona el cerebro", según Greenberg. "Y hay todo un campo de
exploración a la espera de ser explotado".
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