El cerebro humano está compuesto por dos órganos separados
El cerebro está compuesto por dos órganos separados: un hallazgo cambia lo que se sabía sobre su desarrollo
Durante siglos, los científicos han considerado el cerebro como un órgano único y unificado. Sin embargo, una investigación liderada por la Facultad de Medicina de Stanford sugiere que el cerebro humano está formado por dos sistemas nerviosos ancestrales que evolucionaron de manera independiente durante cientos de millones de años y que posteriormente quedaron integrados.
El hallazgo, publicado en Nature Neuroscience cuestiona uno de los modelos predominantes sobre el desarrollo cerebral. Durante décadas, los investigadores asumieron que una única célula progenitora presente en las primeras etapas del desarrollo embrionario daba origen a todo el cerebro y que, por tanto, todas sus regiones compartían un origen común.
Los nuevos resultados indican que el cerebro humano procede de dos sistemas nerviosos ancestrales. Uno de ellos dio lugar a estructuras más primitivas encargadas de funciones esenciales como los latidos del corazón y la respiración, mientras que el otro está relacionado con las capacidades que caracterizan al ser humano, como el lenguaje, las matemáticas o la reflexión.
El descubrimiento podría ayudar a explicar por qué durante décadas ha sido tan difícil cultivar determinados tipos de células cerebrales en el laboratorio y abre nuevas posibilidades para estudiar enfermedades que afectan al tronco encefálico, como la atrofia muscular espinal (AME) y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA).
Podemos cultivar neuronas de la parte posterior del cerebro, el rombencéfalo, en una placa de Petri y estudiar sus funciones
«Hemos demostrado por primera vez que la parte frontal del cerebro se origina a partir de una célula progenitora totalmente diferente a la de la parte posterior», afirmó Kyle Loh, doctor en biología del desarrollo y profesor asociado quien añade: «Nuestro descubrimiento significa que ahora podemos cultivar neuronas de la parte posterior del cerebro, el rombencéfalo, en una placa de Petri y estudiar sus funciones».
Dos sistemas nerviosos
El cerebro adulto tiene tres regiones principales: el prosencéfalo, el mesencéfalo y el rombencéfalo.
El prosencéfalo participa en funciones cognitivas superiores como el lenguaje, la conciencia y el razonamiento abstracto.
El rombencéfalo, situado en la parte posterior del cráneo y asociado al tronco encefálico, controla funciones automáticas esenciales para la supervivencia, entre ellas la respiración, el sueño y la regulación del ritmo cardíaco y del hambre. Las neuronas del rombencéfalo también controlan los músculos de la cara, la lengua y la garganta, por lo que participan en funciones como el habla y la deglución.
A pesar de la importancia de esta región, los científicos han tenido dificultades durante décadas para generar neuronas del rombencéfalo humano en el laboratorio. Esta limitación ha obstaculizado el estudio de enfermedades que afectan al tronco encefálico, entre ellas la AME y la ELA.
La atrofia muscular espinal es una de las principales causas genéticas de muerte en niños menores de un año. La ELA, que suele diagnosticarse entre los 40 y los 70 años, afecta tanto al prosencéfalo como al rombencéfalo. En ambos trastornos, determinadas neuronas del rombencéfalo dejan de funcionar progresivamente y los pacientes pueden perder la capacidad de tragar, lo que puede provocar neumonía al inhalar alimentos o líquidos. Finalmente, también pueden perder la capacidad de respirar.
Primeras etapas del desarrollo
El avance de los investigadores llegó al estudiar los primeros momentos del desarrollo embrionario, durante la gastrulación, una etapa en la que el cuerpo comienza a adquirir su organización.
Jokhai y Dundes descubrieron que el rombencéfalo sigue una vía de desarrollo independiente que discurre en paralelo, en lugar de ramificarse, a la que origina el prosencéfalo y el mesencéfalo.
Para demostrarlo, analizaron embriones de ratón en desarrollo e identificaron dos tipos diferentes de células progenitoras cerebrales. Una de ellas expresa un gen llamado Otx2 y está destinada a formar el prosencéfalo y el mesencéfalo. La otra expresa Gbx2 y está destinada a formar el rombencéfalo.
Los investigadores comprobaron que ambas poblaciones celulares nunca se superponen y que son mutuamente excluyentes desde las primeras etapas del desarrollo.
El equipo también analizó el empaquetamiento del ADN, conocido como cromatina. Este mecanismo determina qué genes son fácilmente accesibles para las células y cuáles permanecen agrupados y fuera de su alcance.
Los investigadores observaron que el ectodermo neural anterior, que dará lugar al prosencéfalo y al mesencéfalo, y el ectodermo neural posterior, futuro rombencéfalo, presentan configuraciones de cromatina fundamentalmente diferentes. Estas diferencias condicionan el destino de cada población celular desde etapas muy tempranas.
El hallazgo ofrece una posible explicación a décadas de dificultades para generar estas neuronas en el laboratorio: los investigadores estaban intentando transformar un tipo de célula progenitora en otro hacia el que no puede desarrollarse.
«En biología de células madre, la gente siempre se centra en crear el tipo de célula final, como la neurona», dijo Jokhai. «Pero es importante comenzar en las primeras etapas del desarrollo embrionario. Nuestra atención minuciosa a ese momento inicial nos permitió descubrir esta división fundamental en el desarrollo cerebral».
Cultivar neuronas del rombencéfalo
A partir de este conocimiento, los investigadores lograron convertir por primera vez células madre pluripotentes humanas, capaces de generar cualquier tipo de célula del organismo, en neuronas motoras funcionales del rombencéfalo.
Las neuronas cultivadas presentaron características propias de las células auténticas del rombencéfalo. Entre ellas, mostraron ondas de actividad eléctrica conocidas como potenciales de acción y produjeron proteínas que identifican las regiones del rombencéfalo implicadas en el control de los músculos faciales y de la deglución.
Los investigadores también analizaron la evolución de estos sistemas neuronales a lo largo de 550 millones de años. Encontraron el mismo patrón de dos orígenes en pollos, peces cebra y, de forma especialmente llamativa, en gusanos bellota, pequeñas criaturas marinas que comparten con los humanos un ancestro común lejano.
Las medusas, que divergieron de los humanos hace entre 600 y 700 millones de años, también poseen dos sistemas nerviosos situados en extremos opuestos de su cuerpo.
«Nuestra investigación sugiere que la evolución tomó dos sistemas neuronales preexistentes y los unió espacialmente», dijo Loh. «Tener el cerebro como un solo órgano probablemente sería más eficiente, pero dependemos de esta forma primigenia de crear el cerebro como dos partes separadas».
«Me sorprendieron nuestros hallazgos porque la palabra «cerebro» implica un órgano continuo que probablemente tenga un origen único», dijo Jokhai. «Pero incluso hace 500 millones de años, existían estos sistemas neuronales separados, que ahora casi funcionan como uno solo, lo cual es fascinante».
Enfermedades del tronco encefálico
El hallazgo también puede tener implicaciones para la investigación de la AME, la ELA y otras enfermedades que afectan al tronco encefálico. Hasta ahora, estudiar directamente estas patologías resultaba especialmente difícil porque no es posible obtener tejido del tronco encefálico de pacientes vivos.
La capacidad de cultivar estas neuronas en el laboratorio abre nuevas posibilidades para estudiar qué ocurre cuando comienzan a fallar. Además, el hallazgo tiene una conexión potencial con la investigación sobre obesidad, ya que el rombencéfalo contiene circuitos implicados en la regulación del hambre, una función sobre la que actúan fármacos para bajar de peso como la semaglutida.