Los tejidos de todo organismo vivo, por ejemplo el cerebro, nacen siempre de unas cuantas células que se van dividiendo y moviendo hasta llegar a su destino y posición final. El proceso de cómo se forma un determinado tejido u órgano se llama morfogénesis, y el nacimiento de las neuronas se neurogénesis. Investigadores del Grupo de Dinámica del Neurodesarrollo de la UPF, dirigido por la catedrática e investigadora ICREA Academia Cristina Pujades, estudiaron estos dos procesos utilizando el cerebro posterior del pez cebra. Crearon así un atlas en 3D que permite conocer cuándo ocurre la diferenciación de las neuronas en su forma definitiva y, además, demostraron que su posición final en el tejido depende de cuándo y dónde han nacido. Los resultados publicados en la revista eLife.

“Las técnicas de microscopía y análisis de imagen que tenemos en la actualidad son impresionantes y nos permiten ver en tiempo real el movimiento de las células y la formación de muchas estructuras biológicas”, explica Pujades. “Pero cuantificar la biología que observamos es muy complicado, en general en biología es cada vez más difícil cuantificar y medir. Por ejemplo, cuantificar el volumen del cerebro es muy complejo pues no es homogéneo, no es como una pelota de futbol que tiene las mismas capas distribuidas de forma uniforme”.

En la actualidad existen herramientas que permiten cuantificar en 2D, pero muy pocas para hacerlo en 3D. En colaboración con el Laboratorio Europeo de Biología Molecular de Barcelona (EMBL Barcelona), el equipo desarrollo un pipeline, o un programa que contiene diversas tareas o funciones, para generar modelos en 3D a partir de imágenes microscópicas combinando distintas señales que permiten visualizar las estructuras de interés. Para esto utilizaron DAMAKER, una plataforma desarrollada por ellos mismos.

"Vimos que, utilizando marcajes fluorescentes que nos permitían visualizar una población celular específica, podíamos utilizarlos como biomarcadores a lo largo de la historia vital de cada célula durante la formación del tejido y también para calcular el volumen que ocupan. Esto nos permite visualizar y cuantificar parámetros que antes no podíamos ver”

Así, combinaron algoritmos ya publicados para otras funciones y los ensamblaron de forma diferente para poder aplicarlos para responder sus preguntas biológicas: ¿cómo crecen las poblaciones de neuronas? Y, ¿cómo se generan las neuronas excitatorias (glutamérgicas) y las inhibitorias (GABAérgicas). “Vimos que, utilizando marcajes fluorescentes que nos permitían visualizar una población celular específica, podíamos utilizarlos como biomarcadores a lo largo de la historia vital de cada célula durante la formación del tejido y también para calcular el volumen que ocupan. Esto nos permite visualizar y cuantificar parámetros que antes no podíamos ver”.

Los investigadores han creado un atlas del cerebro en 3D a partir de imágenes de microscopía confocal y herramientas computaciones que permite entender cuando nacen las neuronas y cuál es su destino final. Pero, sobre todo, “esto permite inferir, a partir de su posición en el cerebro, cual fue su fecha de nacimiento, ya que hay un gradiente interno- externo. Esto quiere decir que las neuronas que se diferenciaron antes están en la parte más interna de las que nacieron más tarde, lo que nos permite estudiar las dinámicas de las distintas poblaciones neuronales”, explica Pujades.

La parte del cerebro posterior que han estudiado (el romboencéfalo) está muy conservada en los vertebrados, es decir, que no hay diferencia entre los humanos y las lampreas. Es también conocido como el cerebro primitivo posterior porque es ahí donde se controlan las funciones básicas de los vertebrados, como la deglución, la respiración, la inervación de las vísceras, etc.

¿La ventaja de esto? Por ejemplo, se pueden crear avatares de humanos en pez cebra, es decir, podemos generar la mutación que necesitemos en el pez. “Observamos como se desarrolla y en lugar de buscar las afectaciones neuronales como si fuera un pajar, podemos ir a un estadio determinado, mirar la distribución de las neuronas y, al compararlo con el atlas, podemos saber cuándo ocurrió el defecto neuronal”, aclara Pujades.

Esta es la primera cartografía del cerebro hecha en un vertebrado, pues ya existían cartografías de la mosca de la fruta. El sistema está escrito en código abierto y se puede aplicar a cualquier órgano, por ejemplo, el corazón, y también se puede utilizar en cualquier modelo, por ejemplo mosca o ratón. Solo necesita los marcadores específicos de lo que el investigador desee ver.

Artículo de referencia:

Matthias Blanc, Giovanni Dalmasso, Frederic Udina, Cristina Pujades. A dynamic and expandable Digital 3D-Atlas MAKER for monitoring the temporal changes in tissue growth during hindbrain morphogenesis. eLife 2022. DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.78300