Un atlas celular revela la biodiversidad dentro de nuestra cabeza

Hay dos teorías fundamentales en biología: la de Darwin teoría de la evolución por la selección natural y la teoría celular, la observación de que la vida orgánica consta de una o más células, los átomos de la biología. Además, todas las células surgen de células anteriores por división celular, transmitiendo su código fuente de ADN en sus genes en el proceso. Los organismos multicelulares han tomado este estilo de vida con ganas, evolucionando en vastas colecciones de comunidades celulares muy diversas que trabajan juntas de manera estrechamente coordinada en todos los órganos de maneras que escapan a nuestra comprensión y que forman un ser vivo. Un cuerpo humano típico comprende la asombrosa cantidad de 30 billones de células (un número cercano a los dólares de la deuda total de los EE. UU.), con menos de 200 mil millones de células, menos del 1 por ciento, que componen el sistema nervioso central.

Centrándose en el cerebro, las observaciones microscópicas de los anatomistas del siglo XIX proporcionaron la primera descripción de distintas neuronas que continúan estudiándose en la actualidad: neuronas de Betz, neuronas de Purkinje, neuronas de Meynert, etc. La invención de los tintes hizo visible su gloriosa complejidad. Los tintes tiñeron con precisión incluso los componentes remotos de las células: las dendritas, las diminutas antenas receptoras de señales, parecidas a filamentos; cuerpos celulares, los centros de procesamiento de las neuronas; y axones, los cables de salida de las células.

Los bocetos hechos a mano por Santiago Ramón y Cajal, el neuroanatomista español pionero, contribuyeron mucho a establecer la doctrina de las neuronas para el cerebro. Sus dibujos, exhibidos en galerías de todo el mundo, adornando libros de mesa, camisetas y la parte superior del brazo izquierdo “entintada” del primer autor (Koch), revelan la naturaleza distinta de diferentes tipos de células: células de Purkinje del cerebelo con sus árboles dendríticos en forma de coral; células piramidales de la corteza cerebral; y las capas de células que recubren la parte posterior del ojo.

A través de investigaciones anatómicas tan laboriosas, quedó claro que hay muchos tipos de neuronas en el cerebro. Cada región, como la retina, la médula espinal, el cerebelo, el tálamo y la corteza cerebral, la capa más externa del cerebro que da lugar a la percepción, la memoria, el pensamiento, la conciencia y la acción, tiene su propio complemento especializado de tipos de células, todas trabajando juntas. armoniosamente Al igual que en cualquier economía avanzada, se trata de diferenciación e integración.

Esto hace que el sistema nervioso sea radicalmente diferente de la arquitectura de los circuitos electrónicos integrados, en los que un puñado de tipos de transistores especializados, dispuestos en estructuras planas que contienen campos de decenas de miles de millones de transistores, pueden implementar cualquier cálculo posible. Por supuesto, los cuerpos y los cerebros se autoensamblan a partir de un solo óvulo fertilizado en un proceso largo y sin supervisión que dura nueve meses en el útero y no termina hasta dos décadas más tarde en la edad adulta madura, mientras que las computadoras se fabrican en su forma final estática bajo el rígido normas de control de calidad industrial y aseguramiento de la calidad.

La catalogación exhaustiva de todos los tipos de células cerebrales y la caracterización de sus formas, constituyentes moleculares y funciones de entrada y salida es de considerable interés académico y clínico. Muchas enfermedades neurológicas se remontan a defectos y vulnerabilidades en tipos específicos de células. Incluyen ceguera retiniana, como la retinitis pigmentosa y la amaurosis congénita de Leber; atrofia muscular en la columna; síndrome de Dravet (también conocido como epilepsia mioclónica grave de la infancia); demencia frontotemporal; enfermedad de Alzheimer; y esclerosis lateral amiotrófica (también conocida como enfermedad de Lou Gehrig).

Es la necesidad de un inventario de células de este tipo lo que llevó a la iniciativa BRAIN de EE. UU., bajo el liderazgo de los Institutos Nacionales de Salud, a establecer la Red de Censos de Células de la Iniciativa Cerebral (BICCN) en 2017. Sus objetivos son identificar todos los diferentes tipos de células que forman el cerebro de los mamíferos. BICCN es una colaboración amplia entre los mejores investigadores de las universidades estadounidenses y los institutos de investigación sin fines de lucro, financiada por numerosas subvenciones importantes, tres de las cuales están dirigidas por Mike Hawrylycz, así como los dos últimos autores (Lein y Zeng), todos del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro.

BICCN y un esfuerzo internacional distinto llamado Human Cell Atlas, que busca clasificar los tipos de células en todos los órganos que componen el cuerpo humano, se basan en una poderosa tecnología molecular, la secuenciación de ARN de una sola célula, que ha conquistado la biología.

Cada célula lleva dentro de su núcleo la información hereditaria que hace del organismo lo que es. Su ADN es un modelo de cómo se desarrollará en su forma adulta. Este es el código fuente del organismo, duradero y redundante. Sin embargo, mientras que las células de un organismo generalmente tienen el mismo código fuente, una célula de la retina se diferencia de una célula de Purkinje gracias a los genes reales que se expresan o activan en esa célula. Los genes activos se transcriben en un proceso altamente regulado en el ARNm de la célula, su transcriptoma (sí, el mismo tipo de ARNm que constituye el corazón palpitante de las vacunas covid de ARNm). Piense en el ARN como un código volátil que se ejecuta en tiempo de ejecución y traduce el código fuente en acciones.

Basado en los refinamientos en curso en la sensibilidad de la tecnología de próxima generación, la secuenciación de ARN de una sola célula (scRNA-Seq) lee los perfiles de expresión de todos los genes que se utilizan en miles de células. Eso involucra alrededor de 20,000 genes que codifican proteínas y otras regiones no codificantes del genoma, aunque cualquier célula determinada solo usa un subconjunto de estas transcripciones. Luego, estos se pueden agrupar utilizando algoritmos de agrupamiento en tipos discretos. scRNA-Seq es ahora el estándar de oro en biología y medicina, para encuestas grandes y pequeñas, desde muestras recién preparadas hasta tejido congelado y archivado en muchas especies. Tanto la secuenciación como las herramientas y métodos de análisis continúan mejorando y reduciendo costos.

scRNA-Seq se puede combinar con otras modalidades que reconstruyen el árbol dendrítico o rastrean el camino de las extensiones parecidas a alambres de los cuerpos celulares de las neuronas llamados axones a medida que se abren camino a través de todo el cerebro. Otras técnicas más registran la respuesta eléctrica de las neuronas que responden a las inyecciones de corriente eléctrica. Juntos, este conjunto de tecnologías proporciona una visión sin precedentes, detallada y completa de la estructura y función de las células.

Llevado a cabo de manera estandarizada y sistemática en cientos de miles de células, el esfuerzo masivo de BICCN examina la disposición del terreno, construyendo un atlas de tipos de células corticales y cómo varían en tres especies: ratón, mono tití (que se encuentra en América del Sur ) y humano. Los primeros frutos de la BICCN ya se ven en un paquete de 17 artículos publicados simultáneamente en la revista científica internacional Naturaleza. Este tesoro de datos y metadatos está disponible para cualquiera que use navegadores y visores dedicados para acelerar aún más los descubrimientos de terapias. Es un esfuerzo masivo con cientos de autores.

La mayor parte de estos artículos se centran en una región altamente especializada que se encuentra en todos los mamíferos llamada corteza motora primaria o M1. Es una tira de tejido que se extiende en dirección izquierda-derecha a través de la corteza, justo debajo de la coronilla. Esta región representa un mapa motor topográfico de las diversas partes del cuerpo controladas por el cerebro, desde los dedos de los pies hasta los pies, las manos y así sucesivamente hasta los labios y la boca. En los seres humanos, la corteza motora primaria se caracteriza por la presencia de células excepcionalmente grandes, llamadas células de Betz en honor al anatomista ucraniano que las describió, células que envían sus axones hasta la médula espinal.

Los científicos computacionales de BICCN aplicaron varios algoritmos de agrupamiento a las transcripciones de ARNm expresadas en células de M1 para clasificar las células, identificando alrededor de 100 tipos de células diferentes. Es decir, las células podrían clasificarse en uno de cien contenedores diferentes, con diferentes grupos de genes compartidos dentro de cada tipo. La alineación de estos grupos en las tres especies examinadas da lugar a un árbol taxonómico de consenso, una representación como la que conocemos en los libros de texto de biología de la escuela secundaria cuando se describen las especies. En la parte inferior están las hojas de este árbol, 45 tipos de células conservadas en las tres especies.

Dependiendo de la cantidad de transcripciones de ARNm compartidas (en última instancia, el código ejecutable compartido), las células cerebrales M1 vienen en dos variedades amplias: células derivadas neuronales y no neuronales. La siguiente división a lo largo de la rama neural divide las neuronas verdaderas de las células gliales. El grupo de ocho tipos gliales y no neuronales incluye oligodendrocitos, astrocitos y células de microglia, todos críticos para apoyar y nutrir las neuronas. El grupo de neuronas se divide en 13 tipos de neuronas excitatorias o glutamatérgicas y 24 inhibidoras o GABAérgicas, definidas por la acción que ejercen sobre sus dianas, ya sea aumentando o disminuyendo su propensión a ser excitadas, es decir, la acción de disparo. potenciales.

Las células GABAérgicas, a su vez, se dividen en seis subclases que se encuentran en toda la profundidad de la lámina cortical, desde la parte más superficial (capa 1) hasta el fondo (capa 6). También se les llama interneuronas locales, ya que tienden a tener un alcance espacial limitado, modulando y amortiguando la actividad eléctrica de las células excitatorias, la mayoría de las cuales son las llamadas neuronas piramidales que envían su salida a regiones más allá de su vecindad local.

Las diferentes neuronas excitatorias glutamatérgicas también se segregan según su ubicación dentro de la capa cortical, es decir, la capa en la que se encuentran sus cuerpos celulares (digamos, capa 2 versus capa 5) y hacia dónde envían su información. Pueden enviar señales a otras regiones corticales, al cuerpo estriado, al tálamo oa la médula espinal (las gigantescas células piramidales de Betz, por ejemplo). El ARNm de cada célula expresa el código postal de las regiones a las que apunta su salida. La transcripción molecular especifica los destinos en la densa terminología familiar para los neuroanatomistas: neuronas de proyección intratelencefálica y extratelencefálica o neuronas de proyección corticotalámica.

Una característica novedosa de estos estudios es que midieron tanto la expresión génica, utilizando scRNA-Seq, como el estado del material de empaquetamiento de la célula, o cromatina. Cuanto más apretado esté el ADN, menos probable será que un gen sea accesible a la maquinaria transcripcional, y esto se mide utilizando técnicas llamadas epigenómica unicelular. Quizás no sea sorprendente que la expresión génica y la arquitectura reguladora de genes, reflejada en los datos de epigenómica, estén muy alineadas. Mientras que el primero proporciona información sobre qué genes están activados, el segundo, que mide el estado de la cromatina de cada célula, es más parecido a la historia de vida de la célula y, en última instancia, a su identidad.

La pregunta de cuántos elementos naturales componen la tabla periódica de la química tiene una respuesta precisa: 92 (incluidos los subproductos de las reacciones nucleares). La pregunta de cuántos tipos de tipos de células cerebrales componen un cerebro no lo es. Dado que cada célula expresa miles de especies diferentes de moléculas de ARN, siempre es posible descubrir distinciones cada vez más finas entre las células. El paisaje subyacente de alta dimensión es uno de gradientes que cambian lentamente, en ocasiones interrumpidos por discontinuidades abruptas, pero sin regularidades periódicas obvias. La situación puede ser análoga a la pregunta de cuántas especies existen.

Claro, en cierta medida, un chihuahua y un perro de montaña de Bernese son miembros de una sola especie, canis familiar, pero considerando su pelaje, tamaño y comportamiento, estas dos razas bien podrían considerarse especies diferentes dependiendo de la métrica exacta que se adopte. Y lo mismo ocurre con las células cerebrales, que dependen de la variante de la tecnología scRNA-seq que midió el transcriptoma y si se utilizan criterios adicionales epigenéticos, morfológicos, funcionales y otros específicos de la modalidad para la clasificación y la configuración exacta de los parámetros. Pero por todas las medidas, incluso en M1 hay al menos 50 tipos de células, con quizás unos pocos miles de tipos en todo el cerebro.

Si bien muchos de los genes exactos expresados ​​en cualquier tipo de célula difieren entre las tres especies, las similitudes generales son asombrosas, con algunos tipos alineados uno a uno en las tres especies, a pesar de que el último ancestro común de ratones, monos y personas vivió hace 60 millones de años. Y, sin embargo, nunca tendremos una conversación de cena con un ratón o un mono. Es la variación de estas notables similitudes entre especies lo que marca la diferencia. Esto incluye no solo diferencias mínimas en los genes expresados ​​en los cerebros, sino también el aumento de mil veces en el número de células en estas especies. También hay variación en la forma en que se regulan estos genes y la especialización específica de la especie en los tipos de células. Uno de estos Naturaleza Los artículos demuestran que el ratón tiene tres células glutamatérgicas excitatorias en las capas superiores de su corteza, mientras que los humanos tienen cinco.

Los mamíferos evolucionaron con un mecanismo poderoso, una hoja cortical extendida de neuronas y células de soporte, la pieza más compleja de materia activa en el universo conocido, que los convirtió en el grupo dominante de vertebrados. Su arquitectura molecular detallada refleja, de manera altamente organizada y legal, su función.

Ed Lein y Hongkui Zeng fueron los investigadores principales de las subvenciones que produjeron el Censo de células de los NIH.

Agradecemos a Nik Jorstad y Staci Sorensen, ambos del Instituto Allen, por su ayuda con las figuras 1 y 2 respectivamente.