Nuevas tecnologías permiten cartografiar la actividad neuronal humana a escala de redes completas

Un equipo liderado por científicos de Northwestern University y Shirley Ryan AbilityLab ha desarrollado una nueva tecnología capaz de escuchar los diálogos eléctricos ocultos que se desarrollan dentro de tejidos humanos en miniatura, cultivados en laboratorio y similares al cerebro. El armazón electrónico suave y tridimensional envuelve un organoide como una malla transpirable de alta tecnología, proporcionando una cobertura casi completa y adaptada a la forma con cientos de electrodos miniaturizados. El estudio se publicó el 18 de febrero en la revista Nature Biomedical Engineering.

Los científicos que estudian organoides neuronales humanos solo podían registrar y estimular la actividad en regiones limitadas porque la electrónica plana convencional no se adapta bien a la estructura tridimensional y esférica de los tejidos. En lugar de muestrear regiones selectas, la nueva tecnología ofrece una interfaz densa y tridimensional que permite a los científicos cartografiar y manipular la actividad neuronal en casi todo el organoide.

"Los organoides derivados de células madre humanas se han convertido en un foco principal de la investigación biomédica porque permiten estudios específicos de cada paciente sobre cómo responden los tejidos a fármacos y terapias emergentes", afirmó un pionero de la bioelectrónica que encabezó el desarrollo del dispositivo. "A lo largo de los años, laboratorios académicos y de la industria han desarrollado estas construcciones tisulares, y los National Institutes of Health (NIH) han puesto en marcha líneas de financiación para acelerar el trabajo en esta dirección. Un componente clave que falta es la tecnología de hardware que pueda interrogar, estimular y manipular estos pequeños análogos de órganos en el cuerpo humano".

"Los organoides neuronales humanos son tejidos vivos 3D que contienen circuitos neuronales activos que se comunican mediante señales eléctricas. Sin embargo, los instrumentos de última generación que usamos para estudiarlos fueron diseñados originalmente para capas planas de células y no interactúan bien con organoides que son esféricos y tridimensionales", dijo un investigador que lideró el desarrollo del organoide. "Al crear electrónica blanda, ajustada a la forma, que se conforma a la geometría del organoide, ahora podemos registrar y estimular cientos de ubicaciones a lo largo de su superficie a la vez. Esto nos permite estudiar la actividad neuronal a nivel de redes completas en lugar de señales aisladas".

En un enfoque complementario publicado en Neurobiology of Disease, investigadores de Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute, con colaboradores de University of California San Diego y BioMarin Pharmaceutical, han desarrollado un modelo simplificado y escalable de células humanas para estudiar cómo surgen ritmos coordinados y cómo responden cuando las neuronas se alteran con compuestos químicos.

El enfoque del equipo consistió en cultivar redes bidimensionales de neuronas humanas derivadas de células madre pluripotentes inducidas (induced pluripotent stem cells, iPSCs). Los científicos registraron la actividad de las neuronas a lo largo del tiempo utilizando matrices multielectrodo, placas integradas con diminutos sensores que pueden monitorizar muchas redes independientes en paralelo. Como las iPSCs pueden generarse en el laboratorio a partir de células donantes accesibles, como las de muestras de piel o sangre, permiten producir grandes cantidades de neuronas humanas tanto de individuos sanos como de pacientes.

A medida que estas redes 2D maduraban, los investigadores observaron la aparición de "oscilaciones anidadas", ondas lentas con una estructura rítmica más rápida superpuesta en su interior. Estas oscilaciones se observaron en rangos de frecuencia comúnmente vistos en registros cerebrales (delta, theta y alfa).

"Los resultados de estos y otros experimentos muestran que este modelo simplificado de red neuronal 2D captura características clave de la maduración de la red y nos proporciona la escala y el control necesarios para pruebas sistemáticas", afirmó el autor sénior y coautor de correspondencia del estudio, profesor asociado en el Center for Therapeutics Discovery de Sanford Burnham Prebys y director de Cell Biology en el Conrad Prebys Center for Chemical Genomics.

Este nuevo trabajo posiciona a las redes 2D como complementarias a los organoides cerebrales tridimensionales. Los organoides, también producidos a partir de iPSCs, pueden recapitular aspectos de la arquitectura tisular, la diversidad celular y la actividad de redes que son difíciles de reproducir en formatos 2D. Al mismo tiempo, la complejidad de los organoides puede dificultar la realización de ciertos experimentos a escala, en particular los estudios que requieren un gran número de réplicas o pruebas extensas de dosis–respuesta en múltiples condiciones.

"Los organoides son invaluables para modelar aspectos de la organización del cerebro", dijo el autor sénior. "Lo que añadimos aquí es una plataforma 2D complementaria que enfatiza el control experimental y el rendimiento, capacidades que pueden ser especialmente útiles para la comparación de referencia y las pruebas sistemáticas en el modelado de enfermedades y la evaluación terapéutica en etapas tempranas".

Uno de los principales focos del estudio del equipo fue la señalización inhibitoria mediada por GABA, un neurotransmisor producido por neuronas GABAérgicas que ayuda a estabilizar y calmar la actividad de la red. Por ejemplo, este sistema inhibitorio ayuda a promover el sueño y a prevenir convulsiones.

El equipo descubrió que los ritmos anidados se reducían cuando la señalización de GABA se bloqueaba con un fármaco antagonista del receptor GABA-A, y que aumentar la proporción de neuronas GABAérgicas en la red hacía que estos ritmos aparecieran antes. Sus hallazgos concuerdan con evidencia previa en el campo y respaldan estudios de seguimiento sobre cómo la inhibición mediada por GABA moldea la aparición y maduración de las oscilaciones en modelos basados en iPSCs de enfermedades del neurodesarrollo y psiquiátricas.

Los investigadores también probaron fármacos que afectan a los potassium channels. Estas proteínas ayudan a determinar la capacidad de una neurona para generar y transmitir señales eléctricas, lo que se conoce como excitabilidad neuronal. Sus resultados sugirieron que distintas perturbaciones de canales de potasio pueden influir en la organización rítmica de maneras diferentes, lo que pone de relieve que la excitabilidad no es un único dial que pueda subirse o bajarse fácilmente, y que mecanismos específicos pueden tener firmas específicas a nivel de red.

Al capturar actividad tipo cerebral a escala de redes completas y respuestas a fármacos en modelos de tejido humano vivo, la tecnología podría acelerar la investigación de enfermedades, las pruebas de terapias y el desarrollo de tratamientos neuroregenerativos de próxima generación. A medida que los organoides se convierten en una prioridad creciente para las iniciativas de los NIH y para el desarrollo de fármacos en la industria, estos avances en tecnología de registro y estimulación proporcionan herramientas críticas para desarrollar terapias eficaces para trastornos cerebrales.