Los ajolotes pueden regenerar sus cerebros, revelando secretos de la evolución y regeneración del cerebro.

los ajolote (Ambystoma mexicanum) es una salamandra acuática conocida por su capacidad para regenerar su médula espinal, corazón y extremidades. Estos anfibios también fácilmente hacer 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 eliminó por completo una gran parte. Pero un estudio encontró que el ajolote regeneración cerebral 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 un investigador que estudia la regeneración a nivel celularyo y mis colegas en el laboratorio de treutleína en ETH Zúrich y el Laboratorio Tanaka en el Instituto de Patología Molecular de Viena se preguntó si los ajolotes pueden regenerar todos los diferentes tipos de células en su cerebro, incluidas las conexiones que unen una región del cerebro con otra. En nuestro estudio publicado recientementecreamos 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?

Diferente 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 usando 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 realizando 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 pez, 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, el neocórtex ha crecido masivamente en tamaño en comparación con otras regiones del cerebro. De manera similar, los tipos de células que componen el telencéfalo en general tienen altamente diversificado y creció en complejidad con el tiempo, haciendo de esta región un área intrigante para estudiar.

Usamos scRNA-seq para identificar los diferentes tipos de células que componen el telencéfalo del ajolote, incluidos los 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 neuronasy descubrió que muchos pasan a través de un tipo de célula intermedia llamada neuroblastos, antes desconocida 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 los conexiones neuronales entre el área removida y otras áreas del cerebro habían sido reconectadas. 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 axolotl con otras especies, encontramos que las células en su telencéfalo muestran una gran similitud con el mamífero. hipocampola región del cerebro involucrada en la formación de la memoria, y la corteza olfativa, la región del cerebro involucrada en el sentido del olfato. Incluso encontramos algunas similitudes en un tipo de célula axolotl 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, aún no sabemos qué señales externas iniciar 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. los Laboratorio Tosches en la Universidad de Columbia exploró la diversidad de tipos de células en otra especie de salamandra, Pleurodeles waltlmientras que el laboratorio Fei en la Academia de Ciencias Médicas de Guangdong en China y los colaboradores de la compañía de ciencias de la vida BGI exploró cómo los tipos de células son 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 tienen perdieron en gran medida su capacidad repararse o regenerarse. 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.

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