Cada pensamiento humano comienza con una señal que viaja, entre la células neuronales, de una neurona a otra en el cerebro. Sin embargo, sabemos relativamente poco acerca de cómo se forman estas conexiones. En un esfuerzo por ver cómo se desarrolla ese proceso, investigadores australianos diseñaron un andamio de nanocables en un chip semiconductor que permite que las células neuronales crezcan y formen circuitos. Los científicos describieron su dispositivo recientemente en la revista Nano Letters (24 de abril del 2017).
El andamio neural está muy lejos de ser un intento de cerebro-en-un-chip que los futuristas podrían imaginar. Pero sí proporciona una forma para que los científicos guíen el crecimiento de las células neuronales y estudien su conectividad, dice Vini Gautam, un ingeniero de biomateriales de la Universidad Nacional de Australia que dirigió el estudio.
Ese ha sido un desafío para los científicos que tratan de recrear los circuitos neuronales en el laboratorio. Las células neuronales del cerebro se conectan y se comunican de una manera altamente ordenada. Pero en el laboratorio, las células tienden a reunirse al azar y sufren las limitaciones experimentales que hacen que los circuitos no sean como sucede en realidad en el cerebro.
«Comprender cómo se forman los circuitos neuronales en el cerebro es una de las preguntas fundamentales en la neurociencia«, dice Gautam. Esas conexiones constituyen la base de cómo procesamos la información, y entenderlas es clave para desarrollar tratamientos para los trastornos mentales, afirma.
Gautam y sus colegas Chennupati Jagadish y Vincent Daria querían crear un ambiente donde pudieran dirigir el crecimiento de neuronas y permitirles hacer conexiones naturales sincronizadas. Así que hicieron un andamio de nanocables hecho de fosfuro de indio que es un compuesto formado por fósforo e indio. Es un material semiconductor similar al arseniuro de galio. El material semiconductor es bien conocido para aplicaciones en electrónica a nanoescala, como en la fabricación de LEDs, células solares. Pero nadie lo había usado para interactuar con las células cerebrales, dice Gautam.
Los investigadores organizaron los nanocables en un patrón cuadrado en forma de celosía, colocaron alrededor de 50 células neuronales de roedores en cada andamio, lo pusieron en un medio de cultivo y observaron cómo crecían.
Después de unos días, las neuronas habían producido brotes llamados neuritas. En el cerebro, estas estructuras largas y delgadas se ramifican desde el cuerpo celular y se conectan con otras neuronas en las uniones llamadas sinapsis. En el andamio de nanocables de Gautam, las neuronas produjeron neuritas que se ramificaron a través del enrejado y pareció conectarse con otras células a través de conexiones sinápticas.
«Tengo mucha experiencia previa observando células neuronales», donde las neuronas siempre crecían al azar, dice Gautam. «Esta vez cuando miré el andamio a través del microscopio, inmediatamente vi algo llamativo: las neuritas de las células estaban alineadas como una rejilla en líneas rectas«.
Eso es bueno, porque significa que el crecimiento de neurita fue guiado por la topografía del andamio, dando a los investigadores un cierto control. Al mismo tiempo, las células conectadas naturalmente, y la actividad de comunicación entre ellas se sincronizó, como lo harían en el cerebro. En conjunto, estos atributos hacen de los andamios una buena plataforma para estudiar la biología de los circuitos neuronales.
El grupo monitoreó el crecimiento usando microscopía electrónica de barrido y evaluó la comunicación entre las neuronas usando imágenes de calcio funcional. Las células crecieron mejor en los andamios que habían sido revestidos en una fina capa de lisina y laminina, sustancias que ayudan a la unión de las células.
Gautam y sus colegas ahora están optimizando los andamios para imitar mejor las señales físicas del cerebro y lo están utilizando para investigar los mecanismos implicados en la formación de circuitos neurales. Dice que espera que el trabajo, con el tiempo, llevará al desarrollo de una prótesis cerebral que podría ser utilizado para restaurar la formación de circuitos neuronales después de una lesión o enfermedad.
