Los ajolotes pueden regenerar sus cerebros: estas adorables salamandras están ayudando a descubrir los misterios de la evolución y regeneración del cerebro
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| Los ajolotes son un organismo modelo que los investigadores utilizan para estudiar una variedad de temas en biología. Rubén Undheim/Flickr , CC BY-SA |
El ajolote ( Ambystoma mexicanum ) es una salamandra acuática reconocida por su capacidad para regenerar la médula espinal, el corazón y las extremidades . Estos anfibios también crean fácilmente nuevas neuronas a lo largo de sus vidas. En 1964, los investigadores observaron que los ajolotes adultos podían regenerar partes de sus cerebros , incluso si se extirpaba por completo una gran parte. Pero un estudio encontró que la regeneración del cerebro del ajolote tiene una capacidad limitada para reconstruir la estructura del tejido original.
Entonces, ¿cuán perfectamente pueden los ajolotes regenerar sus cerebros después de una lesión?
Como investigador que estudia la regeneración a nivel celular , mis colegas y yo en el Laboratorio Treutlein en ETH Zurich y el Laboratorio Tanaka en el Instituto de Patología Molecular en Viena nos preguntamos si los ajolotes pueden regenerar todos los diferentes tipos de células en su cerebro, incluyendo las conexiones que unen una región del cerebro con otra. En nuestro estudio publicado recientemente , creamos un atlas de las células que forman parte del cerebro del ajolote, arrojando luz sobre la forma en que se regenera y la evolución del cerebro entre especies.
¿Por qué mirar las células?
Diferentes tipos de células tienen diferentes funciones. Pueden especializarse en ciertos roles porque cada uno expresa genes diferentes. Comprender qué tipos de células hay en el cerebro y qué hacen ayuda a aclarar la imagen general de cómo funciona el cerebro. También permite a los investigadores hacer comparaciones a lo largo de la evolución y tratar de encontrar tendencias biológicas entre especies.
Una forma de entender qué células expresan qué genes es mediante el uso de una técnica llamada secuenciación de ARN de una sola célula (scRNA-seq) . Esta herramienta permite a los investigadores contar la cantidad de genes activos dentro de cada célula de una muestra en particular. Esto proporciona una "instantánea" de las actividades que estaba haciendo cada celda cuando se recopiló.
Esta herramienta ha sido fundamental para comprender los tipos de células que existen en el cerebro de los animales. Los científicos han utilizado scRNA-seq en peces , reptiles , ratones e incluso humanos . Pero falta una pieza importante del rompecabezas de la evolución del cerebro: los anfibios.
Mapeo del cerebro del ajolote
Nuestro equipo decidió centrarse en el telencéfalo del ajolote. En los humanos, el telencéfalo es la división más grande del cerebro y contiene una región llamada neocorteza , que juega un papel clave en el comportamiento y la cognición de los animales. A lo largo de la evolución reciente, la neocorteza ha crecido enormemente en tamaño en comparación con otras regiones del cerebro. Del mismo modo, los tipos de células que componen el telencéfalo en general se han diversificado mucho y han crecido en complejidad con el tiempo, lo que convierte a esta región en un área intrigante para estudiar.
Usamos scRNA-seq para identificar los diferentes tipos de células que componen el telencéfalo del ajolote, incluidos diferentes tipos de neuronas y células progenitoras , o células que pueden dividirse en más de sí mismas o convertirse en otros tipos de células. Identificamos qué genes están activos cuando las células progenitoras se convierten en neuronas y descubrimos que muchas pasan a través de un tipo de célula intermedia llamada neuroblastos, que antes no existía en los ajolotes, antes de convertirse en neuronas maduras.
Luego, pusimos a prueba la regeneración del ajolote quitando una sección de su telencéfalo. Usando un método especializado de scRNA-seq , pudimos capturar y secuenciar todas las células nuevas en diferentes etapas de regeneración, de una a 12 semanas después de la lesión. Finalmente, descubrimos que todos los tipos de células que se eliminaron se habían restaurado por completo.
Observamos que la regeneración del cerebro ocurre en tres fases principales. La primera fase comienza con un rápido aumento en el número de células progenitoras, y una pequeña fracción de estas células activa un proceso de curación de heridas. En la fase dos, las células progenitoras comienzan a diferenciarse en neuroblastos. Finalmente, en la fase tres, los neuroblastos se diferencian en los mismos tipos de neuronas que se perdieron originalmente.
Sorprendentemente, también observamos que las conexiones neuronales cortadas entre el área extirpada y otras áreas del cerebro se habían vuelto a conectar. Este recableado indica que el área regenerada también había recuperado su función original.
Anfibios y cerebros humanos
Agregar anfibios al rompecabezas evolutivo permite a los investigadores inferir cómo el cerebro y sus tipos de células han cambiado con el tiempo, así como los mecanismos detrás de la regeneración.
Cuando comparamos nuestros datos de axolote con otras especies, encontramos que las células en su telencéfalo muestran una gran similitud con el hipocampo de los mamíferos , la región del cerebro involucrada en la formación de la memoria, y la corteza olfativa , la región del cerebro involucrada en el sentido de la memoria olfativa. Incluso encontramos algunas similitudes en un tipo de célula axolote con la neocorteza, el área del cerebro conocida por la percepción, el pensamiento y el razonamiento espacial en los humanos. Estas similitudes indican que estas áreas del cerebro pueden conservarse evolutivamente o permanecer comparables a lo largo de la evolución, y que la neocorteza de los mamíferos puede tener un tipo de célula ancestral en el telencéfalo de los anfibios.
Si bien nuestro estudio arroja luz sobre el proceso de regeneración del cerebro, incluidos los genes involucrados y cómo las células finalmente se convierten en neuronas, todavía no sabemos qué señales externas inician este proceso. Además, no sabemos si los procesos que identificamos todavía son accesibles para los animales que evolucionaron más tarde, como los ratones o los humanos.
Pero no estamos resolviendo el rompecabezas de la evolución del cerebro solos. El Laboratorio Tosches de la Universidad de Columbia exploró la diversidad de tipos de células en otra especie de salamandra, Pleurodeles waltl , mientras que el laboratorio Fei de la Academia de Ciencias Médicas de Guangdong en China y colaboradores de la empresa de ciencias de la vida BGI exploraron cómo los tipos de células están dispuestos espacialmente en el cerebro anterior del ajolote .
La identificación de todos los tipos de células en el cerebro del ajolote también ayuda a allanar el camino para la investigación innovadora en medicina regenerativa. Los cerebros de ratones y humanos han perdido en gran medida su capacidad para repararse o regenerarse. Las intervenciones médicas para lesiones cerebrales graves actualmente se centran en terapias con medicamentos y células madre para impulsar o promover la reparación. Examinar los genes y los tipos de células que permiten que los ajolotes logren una regeneración casi perfecta puede ser la clave para mejorar los tratamientos para lesiones graves y desbloquear el potencial de regeneración en humanos.
Referencia:
Lust K, Maynard A, Gomes T, Fleck JS, Camp JG, Tanaka EM, Treutlein B. Single-cell analyses of axolotl telencephalon organization, neurogenesis, and regeneration. Science. 2022 Sep 2;377(6610):eabp9262. doi: 10.1126/science.abp9262. Epub 2022 Sep 2. PMID: 36048956.
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