Com recuperen les xarxes neuronals la seva funció després dʼuna pèrdua de neurones?
Un equip de recerca interdisciplinari liderat per investigadors de la UB ha desenvolupat una nova eina experimental que permet produir un dany en una zona concreta dʼuna xarxa neuronal in vitro de pocs mil·límetres i enregistrar quins efectes té a la xarxa sencera. Lʼobjectiu dʼaquest experiment és entendre els mecanismes de resposta que tenen lloc en els circuits neuronals del cervell i que eviten una propagació general del dany, al mateix temps que restitueixen la funcionalitat dels circuits afectats. Una de les conclusions principals de la recerca és que la xarxa activa ràpidament mecanismes dʼautoregulació que reforcen les connexions existents i restitueixen lʼoperativitat del circuit.
Un equip de recerca interdisciplinari liderat per investigadors de la UB ha desenvolupat una nova eina experimental que permet produir un dany en una zona concreta dʼuna xarxa neuronal in vitro de pocs mil·límetres i enregistrar quins efectes té a la xarxa sencera. Lʼobjectiu dʼaquest experiment és entendre els mecanismes de resposta que tenen lloc en els circuits neuronals del cervell i que eviten una propagació general del dany, al mateix temps que restitueixen la funcionalitat dels circuits afectats. Una de les conclusions principals de la recerca és que la xarxa activa ràpidament mecanismes dʼautoregulació que reforcen les connexions existents i restitueixen lʼoperativitat del circuit.
Lʼestudi, publicat a la revista eNEURO i liderat per Jordi Soriano, investigador de lʼInstitut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS), sʼemmarca en una col·laboració interdisciplinària entre lʼUBICS, lʼInstitut de Neurociències de la UB (UBNeuro), lʼInstitut de Ciències Fotòniques i la Universitat Rovira i Virgili.
Segons explica Soriano, lʼexperiment mostra la gran capacitat de les xarxes neuronals per «autoregular-se i remodelar-se en resposta a canvis sobtats o alteracions greus». També és un bon exemple de «la importància de modelar xarxes neuronals com a sistemes complexos, on el conjunt és molt més ric que la suma de les seves parts», afegeix.
El cervell, i en general les xarxes neuronals biològiques, tenen mecanismes de resposta contra la pèrdua de neurones deguda a danys o a malalties. En accidents vasculars cerebrals, per exemple, la pèrdua dʼirrigació sanguínia provoca la mort dʼun grup focalitzat de neurones i una alteració de la funció dels circuits neuronals danyats. Al seu torn, això altera la funció dels circuits veïns, i potencialment es pot iniciar una allau de deteriorament.
Entendre com actuen aquests mecanismes a nivell de xarxa és molt complicat, tant per la grandària del cervell com per la dificultat intrínseca de seguir en detall lʼevolució dʼun gran nombre de neurones abans i després del dany. Aquesta dificultat es pot superar mitjançant el disseny de models in vitro com el que proposen els investigadors.
Lʼexperiment ha consistit a enregistrar primer lʼactivitat de tota la xarxa neuronal per establir quina és la seva funcionalitat característica. Després, amb un làser dʼalta potència sʼha eliminat de manera precisa un grup de neurones i, tot seguit, sʼha tornat a enregistrar la xarxa en detall per seguir el seu desenvolupament al llarg del temps.
Els investigadors han observat que el grup de neurones més pròxim a la zona afectada perd activitat dʼuna manera immediata, però la va recuperant gradualment gràcies a lʼacció de tota la xarxa. «Sorprenentment, en només quinze minuts, aquest grup assoleix nivells dʼactivitat similars als que tenia abans del dany, malgrat haver perdut irreversiblement un nombre significatiu dʼimpulsos provinents de la zona afectada», explica Soriano. «Com que en quinze minuts no hi ha temps per establir connexions noves —detalla lʼinvestigador—, concloem que la xarxa actua tot reforçant les connexions existents, reconduint el flux dʼestímuls neuronals cap als veïns immediats de la zona afectada, evitant-ne el deteriorament i, per tant, un col·lapse progressiu de la xarxa en forma dʼallau».
Lʼestudi, a més, reforça la importància dels models in vitro com a eina complementària per entendre la complexitat del cervell i les seves alteracions. En aquest context, aquesta recerca sʼintegra dins el projecte europeu MESO-BRAIN, en el qual també participa Jordi Soriano. Lʼobjectiu dʼaquest projecte és dissenyar cultius neuronals model que reprodueixin lʼestructura i la dinàmica de regions cerebrals, per tal dʼestudiar dʼuna manera controlada lʼacció de fàrmacs o teràpies genètiques per al tractament de malalties neurodegeneratives.
Referència de lʼarticle:
S. Teller, E. Estévez-Priego, C. Granell, D. Tornero, J. Andilla, O. E. Olarte, P. Loza-Álvarez, A. Arenas i J. Soriano. «Spontaneous functional recovery after focal damage in neuronal cultures». eNeuro, febrer de 2020. DOI: 10.1523/ENEURO.0254-19.2019