Un nuevo estudio es el primero en identificar cómo los cerebros humanos crecen mucho más, con tres veces más neuronas, en comparación con los cerebros de chimpancés y gorilas. El estudio, dirigido por investigadores del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica (MRC) en Cambridge, Reino Unido, identificó un interruptor molecular clave que puede hacer que los organoides del cerebro de los simios crezcan más como organoides humanos y viceversa.
Organoides cerebrales, una nueva forma de estudiar el cerebro
El estudio, publicado en la revista Cell, comparó los ‘organoides cerebrales‘ (tejidos 3D cultivados a partir de células madre que modelan el desarrollo cerebral temprano) que se cultivaron a partir de células madre humanas, de gorilas y chimpancés.
Al igual que los cerebros reales, los organoides del cerebro humano crecieron mucho más que los organoides de otros simios.
La Dra. Madeline Lancaster, del Laboratorio de Biología Molecular del MRC, quien dirigió el estudio, dijo: “Esto proporciona algunos de los primeros conocimientos sobre lo que es diferente en el desarrollo del cerebro humano que nos distingue de nuestros parientes vivos más cercanos, los otros grandes simios. La diferencia más notable entre nosotros y otros simios es lo increíblemente grande que es nuestro cerebro“.
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Las células madre, claves en el proceso
Durante las primeras etapas del desarrollo del cerebro, las neuronas son producidas por células madre llamadas progenitores neurales. Estas células progenitoras inicialmente tienen una forma cilíndrica que facilita su división en células hijas idénticas con la misma forma. Cuantas más veces se multipliquen las células progenitoras neurales en esta etapa, más neuronas habrá más adelante. A medida que las células maduran y ralentizan su multiplicación, se alargan, formando una forma como un cono de helado estirado.
Anteriormente, la investigación en ratones había demostrado que sus células progenitoras neurales maduran en una forma cónica y ralentizan su multiplicación en cuestión de horas.
Ahora, los organoides cerebrales han permitido a los investigadores descubrir cómo ocurre este desarrollo en humanos, gorilas y chimpancés. Descubrieron que en los gorilas y los chimpancés esta transición lleva mucho tiempo y se produce en aproximadamente cinco días.
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Los progenitores humanos se retrasaron aún más en esta transición, que tomó alrededor de siete días. Las células progenitoras humanas mantuvieron su forma cilíndrica durante más tiempo que otros simios y durante este tiempo se dividieron con más frecuencia, produciendo más células.
Esta diferencia en la velocidad de transición de progenitores neurales a neuronas significa que las células humanas tienen más tiempo para multiplicarse. Esto podría ser en gran parte responsable del número aproximadamente tres veces mayor de neuronas en los cerebros humanos en comparación con los cerebros de gorilas o chimpancés.
El Dr. Lancaster dice: “Hemos descubierto que un cambio retardado en la forma de las células en el cerebro temprano es suficiente para cambiar el curso del desarrollo, lo que ayuda a determinar la cantidad de neuronas que se fabrican“.
“Es notable que un cambio evolutivo relativamente simple en la forma celular pueda tener consecuencias importantes en la evolución del cerebro. Siento que realmente hemos aprendido algo fundamental sobre las preguntas que me han interesado desde que tengo uso de razón: qué hace nos hace humanos“.
El gen ZEB2: interruptor el el desarrollo del cerebro
Para descubrir el mecanismo genético que impulsa estas diferencias, los investigadores compararon la expresión génica (qué genes se activan y desactivan) en los organoides del cerebro humano con los de otros simios. Identificaron diferencias en un gen llamado ‘ZEB2‘, que se activó antes en los organoides del cerebro de los gorilas que en los organoides humanos.
Para probar los efectos del gen en las células progenitoras de los gorilas, retrasaron los efectos de ZEB2. Esto ralentizó la maduración de las células progenitoras, lo que hizo que los organoides del cerebro del gorila se desarrollaran de manera más similar a los humanos: más lento y más grande.
Por el contrario, activar el gen ZEB2 antes en las células progenitoras humanas promovió una transición prematura en los organoides humanos, de modo que se desarrollaron más como organoides de simios.
Los investigadores señalan que los organoides son un modelo y, como todos los modelos, no replican completamente los cerebros reales, especialmente la función cerebral madura. Pero para preguntas fundamentales sobre nuestra evolución, estos tejidos cerebrales en un plato brindan una vista sin precedentes de las etapas clave del desarrollo del cerebro que sería imposible estudiar de otra manera.
El Dr. Lancaster formó parte del equipo que creó los primeros organoides cerebrales en 2013. Este estudio fue financiado por el Medical Research Council, el European Research Council y Cancer Research UK.
Fuente y referencias
Fuente original: UK Research and Innovation
Referencia del estudio:
Silvia Benito-Kwiecinski, Stefano L. Giandomenico, Magdalena Sutcliffe, Erlend S. Riis, Paula Freire-Pritchett, Iva Kelava, Stephanie Wunderlich, Ulrich Martin, Gregory A. Wray, Kate McDole, Madeline A. Lancaster. An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.02.050