Neural stem cells generate neurons in vitro which mimic their in vivo molecular identity and axon/dendrite morphology
Este artículo introduce un protocolo de cultivo de gota colgante que permite el crecimiento a largo plazo de neuronas derivadas de neuroblastos de Drosophila in vitro, demostrando que estas neuronas cultivadas recapitulan fielmente su identidad molecular in vivo, sus tasas de proliferación y su morfología de axones/dendritas, proporcionando así un modelo robusto para estudiar las señales que gobiernan el desarrollo neuronal.
Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta es una explicación generada por IA de un preprint que no ha sido revisado por pares. No es consejo médico. No tome decisiones de salud basándose en este contenido. Leer descargo de responsabilidad completo
El cerebro es una vasta red de células especializadas llamadas neuronas, cada una con una forma única y un trabajo específico. Algunas neuronas parecen estrellas con muchas ramas, mientras que otras son largas y delgadas, extendiéndose a través del cuerpo para enviar señales. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo cómo estas células saben qué forma tomar. ¿Es debido a instrucciones escritas dentro de la propia célula, como un plano genético? ¿O es debido a señales del mundo exterior, como un maestro guiando a un estudiante? Para encontrar la respuesta, los investigadores suelen estudiar neuronas dentro de animales vivos, donde es difícil distinguir qué factor está realizando el trabajo. También estudian neuronas en platos de vidrio, pero la mayoría de estos experimentos comienzan con células que ya han crecido y formado conexiones, lo que dificulta ver cómo deciden por primera vez convertirse en un tipo específico de célula.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Oregón ha desarrollado una nueva forma de observar este proceso desde el principio. Utilizaron moscas de la fruta, un modelo común para el estudio de la biología, para cultivar neuronas en un plato partiendo de células madre, que son las materias primas que eventualmente se convierten en neuronas. Al extraer estas células madre del embrión antes de que tuvieran cualquier contacto con el mundo exterior, los científicos crearon una situación en la que las células tenían que depender enteramente de sus propias instrucciones internas para crecer. Los investigadores descubrieron que, incluso sin las señales ambientales habituales, estas células madre se transformaron con éxito en neuronas maduras. Estas nuevas células no solo desarrollaron el número correcto de ramas, sino que también adquirieron la misma identidad molecular y conservaron aspectos clave de las formas físicas que habrían tenido si se hubieran quedado dentro de la mosca viva. Esto sugiere que las instrucciones para construir un tipo específico de neurona están contenidas en gran medida dentro de la propia célula, esperando a ser activadas, aunque la forma resultante no es una réplica perfecta de las que se encuentran en la naturaleza.
Los científicos comenzaron su trabajo recolectando embriones de mosca de la fruta en un momento muy específico de su desarrollo, justo cuando las células madre comenzaban a dividirse. Retiraron cuidadosamente la cáscara exterior de los embriones y los separaron en células individuales mediante un proceso químico suave. Estas células se colocaron luego en un medio líquido especial dentro de una gota colgante, una configuración que mantiene las células suspendidas y saludables. Los investigadores observaron estas células a lo largo de un periodo de doce horas, un tiempo que corresponde al tiempo que estas células tardan en madurar dentro de la mosca. Vieron que las células madre se dividían y se transformaban en neuronas a la misma velocidad que lo hacen dentro del cuerpo. En una hora, las células comenzaron a brotar diminutas extensiones, y a las doce horas, estas extensiones habían crecido hasta convertirse en filamentos largos y delgados, imitando el crecimiento natural de las neuronas en un organismo vivo.
Para asegurarse de que estaban estudiando los tipos de células correctos, el equipo utilizó un truco genético para iluminar grupos específicos de neuronas con un brillo verde. Se centraron en una familia particular de neuronas que normalmente se forman en un patrón específico dentro de la mosca. Cuando contaron las células brillantes en su plato, encontraron que el número de estas neuronas específicas coincidía con el número encontrado en las moscas vivas. Este fue un paso crucial, que demostró que el plato no solo estaba cultivando células aleatorias, sino que estaba recreando fielmente la mezcla de tipos de células que se encuentran en la naturaleza. Los investigadores también comprobaron si las células clasificaban correctamente sus partes internas. Las neuronas tienen dos tipos principales de ramas: axones, que envían señales, y dendritas, que las reciben. El equipo encontró que las células en el plato colocaban correctamente su carga interna, enviando los materiales adecuados a los axones y los materiales adecuados a las dendritas, tal como lo hacen en un animal vivo.
Quizás el descubrimiento más sorprendente involucró a un grupo de neuronas motoras que controlan el movimiento muscular. En una mosca viva, estas neuronas presentan dos formas distintas: algunas tienen dos ramas principales, mientras que otras tienen solo una. Los investigadores observaron las neuronas motoras que crecían en su plato y encontraron que mantenían estas mismas formas. Las células destinadas a tener dos ramas desarrollaron dos ramas, y las que debían tener una sola rama desarrollaron solo una. Además, estas células portaban los marcadores moleculares correctos, las etiquetas químicas que las identifican como tipos específicos de neuronas. Esto sucedió a pesar de que las células nunca habían estado expuestas al complejo entorno del cuerpo de la mosca. Los resultados indican que el plano para la identidad y la forma de una neurona está integrado en la célula desde el principio, y no necesita del mundo exterior para decirle en qué convertirse, aunque la morfología final no es una copia perfecta de la forma in vivo.
Este trabajo ofrece una poderosa nueva herramienta para que los científicos estudien cómo se construye el cerebro. Al cultivar neuronas en un plato donde el mundo exterior ha sido eliminado, los investigadores pueden ahora aislar las instrucciones internas que impulsan el desarrollo. El estudio muestra que, si bien el entorno es importante para muchas cosas, el plan fundamental para la identidad y la estructura de una neurona proviene de su interior. Este hallazgo ayuda a aclarar una pregunta de larga data en la neurociencia: ¿cómo saben las células quiénes son? La respuesta parece ser que llevan su propio mapa, listo para ser seguido en el momento mismo en que nacen.
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