Por qué el cerebro humano no es uno, sino dos órganos, según una investigación liderada por Stanford

Una investigación liderada por científicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford (Estados Unidos) concluyó que el cerebro no es un único órgano, sino que más bien, puede entenderse como dos órganos distintos que evolucionaron de forma independiente a lo largo de cientos de millones de años.

Durante décadas, se ha sostenido la teoría de que existe una única célula progenitora en las primeras etapas del desarrollo que da origen a todo el cerebro. Este modelo sugería que todas las partes del cerebro compartían un origen evolutivo común.

Sin embargo, de acuerdo a los autores de la nueva investigación, los resultados de su trabajo “muestran que el cerebro humano está formado por dos sistemas nerviosos ancestrales ingeniosamente integrados: una parte más primitiva que regula el latido del corazón, la respiración y otras funciones, y otra que nos hace distintamente humanos, capaces de crear poesía, realizar operaciones matemáticas y reflexionar sobre nuestros propios orígenes”.

Sostienen que este descubrimiento podría ayudar a explicar por qué a la comunidad científica le ha costado cultivar ciertos tipos de células cerebrales en el laboratorio.

Asimismo, afirman, abre nuevas vías para estudiar enfermedades que afectan al tronco encefálico, como la atrofia muscular espinal (AME) y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA o enfermedad de Lou Gehrig).

Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Neuroscience. La investigación también contó con la participación de científicos del Instituto de Tecnología de California y la Universidad de California en San Francisco.

El profesor asociado de biología del desarrollo en la Universidad de Stanford y autor principal del artículo, el Dr. Kyle Loh, declaró a través de un comunicado: “Hemos demostrado por primera vez que la parte anterior del cerebro surge de una célula progenitora totalmente distinta a la de la parte posterior”.

“Nuestro descubrimiento significa que ahora podemos cultivar neuronas de la parte posterior del cerebro —el rombencéfalo o cerebro posterior— en una placa de Petri y estudiar sus funciones”.

Por qué el cerebro humano no es uno, sino dos órganos, según la investigación

Los autores explican que el cerebro adulto consta de tres regiones principales: el prosencéfalo (cerebro anterior), el mesencéfalo (cerebro medio) y el rombencéfalo (cerebro posterior).

El prosencéfalo se encarga de las funciones cognitivas superiores, como el lenguaje, la conciencia y el razonamiento abstracto.

El rombencéfalo —a menudo denominado tronco encefálico— controla funciones esenciales y automáticas que nos mantienen con vida: la respiración, el sueño y la regulación del ritmo cardíaco y la sensación de hambre.

Las neuronas del rombencéfalo también controlan los músculos de la cara, la lengua y la garganta, lo que influye en el habla y la deglución.

Sin embargo, pese a la importancia del rombencéfalo, la comunidad científica ha tenido dificultades durante décadas para generar neuronas de esta región en el laboratorio.

Dicha carencia, según los autores del reciente trabajo, ha obstaculizado la investigación sobre enfermedades que afectan al tronco encefálico, como la AME y la ELA.

La primera es una de las principales causas genéticas de muerte en niños menores de un año, mientras que la segunda, que suele diagnosticarse entre los 40 y los 70 años, afecta tanto al prosencéfalo como al rombencéfalo.

En ambos trastornos, ciertas neuronas del rombencéfalo dejan de funcionar gradualmente y el paciente pierde la capacidad de tragar, lo que puede provocar neumonía si se inhalan alimentos o líquidos hacia los pulmones. Finalmente, los pacientes pierden la capacidad de respirar, explican los investigadores.

Su reciente trabajo surgió al estudiar las primeras etapas del desarrollo embrionario, concretamente la fase denominada gastrulación, momento en el que el cuerpo empieza a adquirir su forma.

Según relatan, tras examinar embriones de ratón en desarrollo, descubrieron que el rombencéfalo sigue una vía de desarrollo independiente, paralela —y no derivada— a la vía que da origen al prosencéfalo y al mesencéfalo.

Identificaron dos tipos distintos de células progenitoras cerebrales.

Una de ellas, que expresa el gen Otx2, está destinada a convertirse en el prosencéfalo y el mesencéfalo. La otra, que expresa el gen Gbx2, está comprometida con la formación del rombencéfalo.

De acuerdo a los autores, estas dos poblaciones celulares nunca se solapan y son mutuamente excluyentes desde las etapas más tempranas del desarrollo.

Luego de dicho hallazgo, el equipo examinó el empaquetamiento del ADN, o cromatina, en dichas células. Se trata del mecanismo mediante el cual las células determinan qué genes son fácilmente accesibles y cuáles permanecen compactados y fuera de alcance.

En su análisis, vieron que el ectodermo neural anterior (futuro prosencéfalo y mesencéfalo) y el ectodermo neural posterior (futuro rombencéfalo) presentan configuraciones de cromatina significativamente diferentes.

Tales diferencias esencialmente confinaban a cada célula progenitora a su destino respectivo, como viajeros en vías paralelas que nunca se cruzan.

El estudiante de posgrado y coautor principal del artículo, Rayyan Jokhai, declaró: “Es probable que los intentos anteriores de generar neuronas del rombencéfalo buscaran inducir a progenitores del prosencéfalo y del mesencéfalo a convertirse en células del rombencéfalo. Nuestro estudio demuestra que esto no es posible”.

Según el investigador, este hallazgo explica décadas de frustración en la comunidad científica, ya que se intentaba transformar un tipo de célula progenitora en otro en el que, fundamentalmente, no podía convertirse.

“En la biología de células madre, la gente suele obsesionarse con crear el tipo celular final, como la neurona. Pero es importante comenzar en las etapas más tempranas del desarrollo embrionario. Prestar especial atención a esa fase inicial nos permitió descubrir esta división fundamental en el desarrollo cerebral”.

A partir de estos hallazgos, aseguran, lograron inducir en el laboratorio la transformación de células madre pluripotentes humanas (un tipo de célula capaz de generar cualquier célula del cuerpo humano) en neuronas motoras funcionales del rombencéfalo.

Detallan que estas neuronas cultivadas en laboratorio presentaban todas las características distintivas de las células auténticas del rombencéfalo.

Por ejemplo, mostraban ondas de actividad eléctrica conocidas como potenciales de acción y producían proteínas que identifican los segmentos del rombencéfalo encargados de controlar los músculos faciales y los de la deglución.

Posteriormente, el equipo analizó un periodo evolutivo de 550 millones de años.

A través del comunicado, detallan que ahí descubrieron “el mismo patrón cerebral de doble origen en pollos, peces cebra y, sorprendentemente, en los gusanos bellota (enteropneustos), unas criaturas diminutas que habitan en el fondo marino y comparten un ancestro común lejano con los humanos”.

“Las medusas, que se separaron evolutivamente de los humanos hace entre 600 y 700 millones de años, poseen dos sistemas nerviosos situados en extremos opuestos de su cuerpo”.

En palabras del Dr. Loh: “Nuestra investigación sugiere que la evolución tomó dos sistemas neuronales preexistentes y los unió espacialmente. Aunque tener un cerebro constituido por un único órgano sería probablemente más eficiente, dependemos de esta forma primitiva de construir el cerebro a partir de dos piezas separadas”.

Jokhai agregó: “Los resultados me sorprendieron, ya que la palabra ‘cerebro’ implica un órgano continuo que, presumiblemente, tiene un origen único. Sin embargo, ya hace 500 millones de años existían estos sistemas neuronales separados que hoy funcionan casi como una unidad. Es algo fascinante”.

Tras compartir sus recientes hallazgos, el equipo tiene previsto ampliar sus estudios para determinar los orígenes del desarrollo de la médula espinal y averiguar exactamente cómo la AME y la ELA comprometen la función de las neuronas del rombencéfalo.

“Ahora disponemos de un modelo para comprender mejor estas enfermedades devastadoras y trabajar en terapias regenerativas para ellas. Se trata de una nueva frontera muy apasionante en la investigación cerebral”, dijo Jokhai.

El también estudiante de posgrado y coautor principal del artículo, Carolyn Dundes, añadió: “Espero que nuestro estudio inspire a futuros científicos a dedicarse a la biología del desarrollo”.

“No se me ocurre nada más gratificante que desentrañar un pequeño misterio sobre los orígenes de nuestro cerebro. Además, todavía quedan por descubrir muchos detalles de nuestro sistema nervioso central, tanto grandes como pequeños”.