Neurociencia

Los sonidos influyen en el desarrollo del cerebro antes de lo que se pensaba

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Los científicos aún tienen que responder a la antigua pregunta de si el sonido da forma a las mentes de los fetos en el útero o de qué manera, y las mujeres embarazadas a menudo se preguntan acerca de los beneficios de actividades como tocar música durante el embarazo. Ahora, en experimentos con ratones recién nacidos, los científicos de Johns Hopkins informan que los sonidos parecen cambiar los patrones de «cableado» en áreas del cerebro que procesan el sonido antes de lo que suponían los científicos e incluso antes de que se abra el canal auditivo.

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Los experimentos actuales involucran ratones recién nacidos, que tienen canales auditivos que se abren 11 días después del nacimiento. En los fetos humanos, el canal auditivo se abre prenatalmente, aproximadamente a las 20 semanas de gestación.

Los hallazgos, publicados en línea el 12 de febrero en Science Advances, pueden eventualmente ayudar a los científicos a identificar formas de detectar e intervenir en el cableado anormal del cerebro que puede causar problemas auditivos u otros problemas sensoriales.

«Como científicos, buscamos respuestas a preguntas básicas sobre cómo nos convertimos en quienes somos«, dice Patrick Kanold, Ph.D., profesor de ingeniería biomédica en la Universidad y Facultad de Medicina de Johns Hopkins. «Específicamente, estoy viendo cómo nuestro entorno sensorial nos da forma y qué tan temprano en el desarrollo fetal comienza a ocurrir«.

Kanold comenzó su carrera en ingeniería eléctrica, trabajando con microprocesadores, un conducto natural para su cambio a la ciencia y estudiando los circuitos del cerebro.

Su foco de investigación es la parte más externa del cerebro, la corteza, que es responsable de muchas funciones, incluida la percepción sensorial. Debajo de la corteza se encuentra la materia blanca del cerebro que en los adultos contiene conexiones entre neuronas.

En el desarrollo, la sustancia blanca también contiene las llamadas neuronas de subplaca, algunas de las primeras en desarrollarse en el cerebro, aproximadamente a las 12 semanas de gestación en humanos y la segunda semana embrionaria en ratones. Al anatomista Mark Molliver de Johns Hopkins se le atribuye la descripción de algunas de las primeras conexiones entre neuronas formadas en la materia blanca, y él acuñó el término neuronas de subplaca en 1973.

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Estas neuronas de la subplaca primordial eventualmente mueren durante el desarrollo en los mamíferos, incluidos los ratones. En los seres humanos, esto ocurre poco antes del nacimiento durante los primeros meses de vida. Pero antes de que mueran, establecen conexiones entre una puerta de entrada clave en el cerebro para toda la información sensorial, el tálamo y las capas medias de la corteza.

«El tálamo es el intermediario de la información de los ojos, los oídos y la piel en la corteza«, dice Kanold. «Cuando las cosas van mal en el tálamo o sus conexiones con la corteza, se producen problemas de desarrollo neurológico«. En los adultos, las neuronas del tálamo se estiran y proyectan estructuras largas en forma de brazos llamadas axones a las capas medias de la corteza, pero en el desarrollo fetal, las neuronas de la subplaca se ubican entre el tálamo y la corteza, actuando como un puente. Al final de los axones hay un nexo de comunicación entre neuronas llamado sinapsis. Trabajando en hurones y ratones, Kanold mapeó previamente los circuitos de las neuronas de la subplaca. Kanold también descubrió anteriormente que las neuronas de la subplaca pueden recibir señales eléctricas relacionadas con el sonido antes que cualquier otra neurona cortical.

La investigación actual, que Kanold comenzó en su puesto anterior en la Universidad de Maryland, aborda dos preguntas, dice: cuando las señales de sonido llegan a las neuronas de la subplaca, ¿sucede algo y puede un cambio en las señales de sonido cambiar los circuitos cerebrales en estas edades jóvenes?

Primero, los científicos usaron ratones modificados genéticamente que carecen de una proteína en las células ciliadas del oído interno. La proteína es integral para transformar el sonido en un pulso eléctrico que llega al cerebro; de ahí se traduce en nuestra percepción del sonido. Sin la proteína, el cerebro no recibe la señal.

En los ratones sordos de 1 semana de edad, los investigadores vieron entre un 25% y un 30% más de conexiones entre las neuronas de la subplaca y otras neuronas de la corteza, en comparación con los ratones de una semana de edad con audición normal y criados en un entorno normal. Esto sugiere que los sonidos pueden cambiar los circuitos cerebrales a una edad muy temprana, dice Kanold.

Además, dicen los investigadores, estos cambios en las conexiones neuronales ocurrieron aproximadamente una semana antes de lo que normalmente se ve. Los científicos habían asumido anteriormente que la experiencia sensorial solo puede alterar los circuitos corticales después de que las neuronas en el tálamo se extienden y activan las capas medias de la corteza, que en los ratones es aproximadamente el momento en que se abren los canales auditivos (alrededor de los 11 días).

«Cuando las neuronas se ven privadas de información, como el sonido, las neuronas buscan otras neuronas, posiblemente para compensar la falta de sonido«, dice Kanold. «Esto está sucediendo una semana antes de lo que pensamos, y nos dice que la falta de sonido probablemente reorganice las conexiones en la corteza inmadura«.

De la misma manera que la falta de sonido influye en las conexiones cerebrales, los científicos pensaron que era posible que los sonidos adicionales también pudieran influir en las conexiones neuronales tempranas en ratones con audición normal.

Para probar esto, los científicos colocaron cachorros de ratón de 2 días de audición normal en un recinto silencioso con un altavoz que emite un pitido o en un recinto silencioso sin un altavoz. Los científicos encontraron que las crías de ratón en el recinto silencioso sin el pitido tenían conexiones más fuertes entre la subplaca y las neuronas corticales que en el recinto con el pitido. Sin embargo, la diferencia entre los ratones alojados en recintos con pitidos y silenciosos no fue tan grande como entre los ratones sordos y los criados en un entorno sonoro normal.

Estos ratones también tenían más diversidad entre los tipos de circuitos neuronales que se desarrollaron entre la subplaca y las neuronas corticales, en comparación con las crías de ratones con audición normal criadas en un recinto silencioso sin sonido. Los ratones con audición normal criados en el recinto silencioso también tenían conectividad neuronal en las regiones de la subplaca y la corteza similar a la de los ratones sordos modificados genéticamente.

«En estos ratones, vemos que la diferencia en la experiencia del sonido temprano deja un rastro en el cerebro, y esta exposición al sonido puede ser importante para el desarrollo neurológico«, dice Kanold.

El equipo de investigación está planificando estudios adicionales para determinar cómo la exposición temprana al sonido impacta el cerebro más adelante en el desarrollo. En última instancia, esperan comprender cómo la exposición al sonido en el útero puede ser importante para el desarrollo humano y cómo tener en cuenta estos cambios en el circuito al colocar implantes cocleares en niños que nacen sordos. También planean estudiar las firmas cerebrales de los bebés prematuros y desarrollar biomarcadores para problemas relacionados con el cableado incorrecto de las neuronas de la subplaca.

El financiamiento para la investigación fue proporcionado por el Instituto Nacional de Sordera y otros Trastornos Auditivos de los Institutos Nacionales de Salud (R01DC009607) y el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales (R01GM056481).

 

Fuente y Referencias

Fuente original: Johns Hopkins Medicine

Referencia del estudio:

Xiangying Meng, Didhiti Mukherjee, Joseph P. Y. Kao, Patrick O. Kanold. Early peripheral activity alters nascent subplate circuits in the auditory cortexScience Advances, 2021; 7 (7): eabc9155 DOI: 10.1126/sciadv.abc9155

 

 

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