Com recuperen les xarxes neuronals la seva funció després d’una 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 d’una xarxa neuronal in vitro de pocs mil·límetres i enregistrar quins efectes té a la xarxa sencera. L’objectiu d’aquest 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 d’autoregulació que reforcen les connexions existents i restitueixen l’operativitat del circuit.

L’estudi, publicat a la revista eNEURO i liderat per Jordi Soriano, investigador de l’Institut de Sistemes Complexos de la UB (UBICS), s’emmarca en una col·laboració interdisciplinària entre l’UBICS, l’Institut de  Neurociències de la UB (UBNeuro), l’Institut de Ciències Fotòniques i la Universitat Rovira i Virgili.

Segons explica Soriano, l’experiment 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 d’irrigació sanguínia provoca la mort d’un 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 l’evolució d’un 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.

L’experiment ha consistit a enregistrar primer l’activitat de tota la xarxa neuronal per establir quina és la seva funcionalitat característica. Després, amb un làser d’alta potència s’ha eliminat de manera precisa un grup de neurones i, tot seguit, s’ha 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 d’una manera immediata, però la va recuperant gradualment gràcies a l’acció de tota la xarxa. «Sorprenentment, en només quinze minuts, aquest grup assoleix nivells d’activitat similars als que tenia abans del dany, malgrat haver perdut irreversiblement un nombre significatiu d’impulsos provinents de la zona afectada», explica Soriano. «Com que en quinze minuts no hi ha temps per establir connexions noves —detalla l’investigador—, concloem que la xarxa actua tot reforçant les connexions existents, reconduint el flux d’estímuls 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 d’allau».

L’estudi, 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 s’integra dins el projecte europeu MESO-BRAIN, en el qual també participa Jordi Soriano. L’objectiu d’aquest projecte és dissenyar cultius neuronals model que reprodueixin l’estructura i la dinàmica de regions cerebrals, per tal d’estudiar d’una manera controlada l’acció de fàrmacs o teràpies genètiques per al tractament de malalties neurodegeneratives.

Referència de l’article:
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

English version: https://www.ub.edu/web/ub/en/menu_eines/noticies/2020/02/031.html?