¿QUÉ TIENE DE ESPECIAL EL CEREBRO HUMANO?
Por fin, la avalancha de datos procedentes de atlas celulares, organoides cerebrales y otros métodos está dando respuesta a una pregunta milenaria.
Debe haber algo en el cerebro humano que lo diferencie del de otros animales; algo que nos permita planificar, imaginar el futuro, resolver crucigramas, contar chistes sarcásticos y hacer muchas otras cosas que, en conjunto, hacen única a nuestra especie. Y algo que explique por qué los humanos padecemos enfermedades devastadoras que otros animales no padecen, como el trastorno bipolar y la esquizofrenia.
Entonces, ¿qué es ese algo?
En los últimos años, los nuevos métodos para estudiar el cerebro humano —y el de otras especies— han comenzado a revelar diferencias clave con mayor detalle que nunca.
Los investigadores ahora pueden observar lo que sucede dentro de millones de células cerebrales catalogando los genes, el ARN y las proteínas que producen. Y al estudiar el tejido cerebral, los científicos están aprendiendo lecciones clave sobre cómo se desarrolla y funciona este órgano.
Una de las razones es que las diferencias entre las células cerebrales humanas y las de otras especies suelen ser sutiles. Otra es que el cerebro humano se desarrolla lentamente en comparación con el de otros animales. Sin embargo, cómo estas características dan origen a nuestras habilidades cognitivas sigue siendo un misterio, aunque los investigadores cuentan con numerosas pistas prometedoras.
El tamaño importa
Si hay algo que destaca del cerebro humano en comparación con el de otros primates —e incluso con el de algunos parientes humanos extintos— es su tamaño.
En la mayoría de los animales, el tamaño del cerebro está estrechamente relacionado con el tamaño del cuerpo. Pero los humanos rompemos este patrón. Nuestros cerebros son mucho más grandes de lo que cabría esperar en relación con nuestro tamaño corporal.
Los investigadores suelen utilizar un índice denominado cociente de encefalización (CE) para hacerse una idea de cuánto más grande o más pequeño es el cerebro de un animal en comparación con lo que cabría esperar en función del tamaño de su cuerpo. El CE es 1,0 si la relación entre la masa cerebral y la masa corporal cumple con las expectativas.
Una región particularmente agrandada es la corteza cerebral, un área que lleva a cabo la planificación, el razonamiento, el lenguaje y muchos otros comportamientos en los que los humanos sobresalen.
Otras áreas, como el cerebelo —una zona en la parte posterior del cerebro densamente poblada de neuronas, que ayuda a controlar el movimiento y la planificación— también se han expandido.
La corteza prefrontal tiene una estructura similar tanto en chimpancés como en humanos, aunque ocupa mucho más espacio en el cerebro humano que en el cerebro del chimpancé.
También hay una gran diferencia entre el número de neuronas en el cerebro humano en comparación con el de otros animales. El cerebro humano tiene aproximadamente 1000 veces más neuronas que el cerebro del ratón, por ejemplo, y 13,5 veces más que el del macaco 1 . .
Pero el tamaño del cerebro y el número de neuronas no lo son todo; algunos animales cuyos cerebros se ven y se desarrollan de manera diferente a los de los mamíferos —como los cuervos y otros miembros de la familia de los cornejos— pueden aprender o recordar de forma impresionante. «El tamaño del cerebro por sí solo no puede explicar la cognición humana», afirma Chet Sherwood, antropólogo y neurocientífico de la Universidad George Washington en Washington D.C.
Receta especial
El estudio detallado de las células cerebrales ha revelado patrones interesantes. En los últimos cinco años, las técnicas que permiten a los científicos catalogar los genes expresados en una sola célula han estado revelando los diferentes tipos de células que componen el cerebro, con un nivel de detalle mucho mayor que el alcanzado hasta ahora.
El año pasado, un equipo del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro en Seattle, Washington, publicó los atlas más completos hasta la fecha sobre los tipos de células del cerebro de ratón y humano. Como parte de una iniciativa internacional denominada Red de Censo Celular de la Iniciativa BRAIN (BICCN), los investigadores catalogaron el cerebro completo del ratón , encontrando 5300 tipos de células² ; el atlas humano aún no está terminado, pero hasta ahora incluye más de 3300 tipos de 100 ubicaciones³ ; los investigadores esperan encontrar muchos más.
Algunas regiones sí tienen tipos de células distintos; por ejemplo, la corteza visual humana contenía varios tipos de neuronas exclusivas de esa área⁴ . Pero, en general, los tipos de células específicos de los humanos son raros.
La impresión general, al comparar los tipos de células del cerebro humano con los de otras especies, es de similitud. «Esperaba mayores diferencias», afirma Ed Lein, neurocientífico del Instituto Allen, quien participa en proyectos para catalogar las células de cerebros humanos, de ratón y de otras especies. «La arquitectura celular básica se conserva notablemente bien hasta que se analizan los detalles más finos», explica.
La mayoría de las regiones del cerebro humano difieren de las de los primates y los ratones en las proporciones relativas de los tipos de células que aparecen 5 , y en las formas en que esas células expresan sus genes: no son los ingredientes los que son diferentes, sino la receta.
Consideremos estas dos regiones comparables de la corteza cerebral humana y del ratón, ambas encargadas de procesar información auditiva. El área del ratón contiene una mayor proporción de neuronas excitadoras, que propagan señales, en comparación con las neuronas inhibidoras, que atenúan la actividad. La región humana presentaba una proporción mucho mayor de células no neuronales, como astrocitos, oligodendrocitos y microglía. Estas células dan soporte a las neuronas y también contribuyen a la poda y el refinamiento de sus conexiones durante el desarrollo. La proporción de estas células con respecto a las neuronas era cinco veces mayor que la de los ratones.
Aún no están claras las consecuencias de estas diferencias, pero los atlas proporcionan una forma de estudiar estas células y los genes que expresan, para comprender mejor su función.
Los mismos tipos de células también pueden tener un aspecto diferente en distintas especies. Este es el mismo tipo de neurona —una célula piramidal— de la corteza de un ratón, un chimpancé y un humano. El cerebro del ratón tiene menos de estas células y están menos conectadas en comparación con el cerebro humano⁶ .
Incluso en comparación con el chimpancé, las neuronas humanas son más largas y establecen más conexiones entre sí. Las capas corticales en las que se encuentran son más gruesas que las del chimpancé.
Estableciendo conexiones
Ninguna neurona es una isla, y las redes que forman podrían ser una parte fundamental de lo que confiere a los distintos cerebros sus diferentes funciones y especializaciones.
Un estudio comparó 1,6 millones de conexiones entre más de 2000 células cerebrales en muestras de cerebro de ratón, macaco y humano tomadas de la corteza. El diagrama de cableado humano, o «conectoma», tenía 2,5 veces más interneuronas (una clase de células que atenúan la actividad neuronal y controlan la excitación, que se muestran aquí en dos colores) que el ratón, y esas células hicieron diez veces más conexiones entre sí 7 .
Un grupo especializado de interneuronas con preferencia por conectarse con otras del mismo tipo (neuronas bipolares, en verde) era poco común en ratones, pero se ha expandido hasta representar más de la mitad de la población en humanos. Una segunda clase de interneuronas, llamadas neuronas multipolares, no se expandió en la misma medida.
El hallazgo fue «sumamente sorprendente», afirma Moritz Helmstaedter, líder del estudio en el Instituto Max Planck de Investigación Cerebral en Fráncfort, Alemania. Considera que esta red expandida de interneuronas podría ayudar a resolver un problema importante del cerebro humano: las neuronas operan rápidamente, pero los pensamientos y las acciones tardan segundos. Redes más extensas de interneuronas podrían prolongar la actividad neuronal, permitiendo al cerebro generar pensamientos más complejos y retener información durante más tiempo.
El equipo ahora está estudiando segmentos más grandes de la corteza cerebral humana.
Los resultados del estudio del conectoma de Helmstaedter están respaldados por investigaciones genéticas. Al comparar la expresión génica entre especies, muchas diferencias resultan estar relacionadas con la forma en que las conexiones entre neuronas —llamadas sinapsis— se conectan y se comunican entre sí.
En un estudio dirigido por investigadores del Instituto Allen, varios cientos de genes mostraron patrones de expresión únicos en humanos. A menudo, estas especializaciones estaban relacionadas con la función de los circuitos neuronales: participaban en la formación de sinapsis o en la señalización celular. Además, se observaban frecuentemente en células no neuronales, como astrocitos y microglía.
Lento para desarrollarse
Algunos científicos creen que existe un mecanismo clave en el cerebro humano que puede explicar muchas de las diferencias entre nosotros y otras especies: el freno.
“Se mire por donde se mire, en los humanos está ocurriendo más lentamente”, afirma la neurocientífica Madeline Lancaster, que estudia el desarrollo del cerebro humano en el Laboratorio de Biología Molecular del MRC en Cambridge, Reino Unido.
El ritmo de desarrollo cerebral varía mucho entre especies, pero en los humanos es increíblemente prolongado. El cerebro del ratón, por ejemplo, se desarrolla completamente apenas al 5% de su vida.
El cerebro de los macacos y los chimpancés se desarrolla completamente cuando alcanza aproximadamente un tercio de su tamaño original.
El cerebro humano tarda mucho más en crecer, madurar y refinar sus conexiones: unos 30 años, o casi la mitad de nuestra esperanza de vida media.
Este ritmo lento podría ayudar a los humanos a generar más neuronas y fomentar una mayor diversidad y complejidad. También le da al cerebro más tiempo para ser moldeado por su entorno. Las investigaciones sugieren que, en los humanos, los progenitores neuronales, las células que dan origen a las neuronas, pasan más tiempo en un estado de limbo antes de asumir sus identidades finales 9. Los progenitores humanos también tienen más potencial: pueden convertirse en más de un tipo amplio de neurona, mientras que en los roedores un tipo de progenitor tiende a desarrollarse en un solo tipo de neurona 10 .
Aquí hay una línea de tiempo típica para las neuronas de chimpancé: se desarrollan a partir de progenitores, crecen axones y dendritas para alcanzar otras células, esos crecimientos desarrollan sinapsis para conectarse entre sí y enviar señales, y finalmente desarrollan una capa de mielina, que aísla las neuronas y ayuda a que las señales viajen 6 .
En los humanos, este mismo proceso lleva más tiempo y da como resultado neuronas con más dendritas, cada una con más conexiones. Los axones pueden ser más largos que los de los chimpancés porque tienen que recorrer una mayor distancia, y las neuronas resultantes son más complejas.
Varias variantes genéticas se han relacionado con esta ralentización y elaboración. Una de ellas es una duplicación genética que solo se observa en humanos; cuando se modificó genéticamente a ratones para que tuvieran la misma duplicación, desarrollaron más sinapsis y su aprendizaje mejoró 11 .
Otro ejemplo es un cambio en la secuencia que codifica una proteína llamada NOTCH, que se ha relacionado con la expansión de la corteza. Este cambio permite que las neuronas humanas permanezcan más tiempo proliferando —dando lugar a una mayor cantidad de neuronas nuevas— que las de los primates no humanos 12 , 13 .
Si bien algunos cambios en los genes y las células sin duda nos definen, es demasiado pronto para sacar conclusiones, afirma Alex Pollen, genetista que estudia la evolución del cerebro humano en la Universidad de California en San Francisco. Algunos cambios podrían ser simplemente efectos secundarios de otras adaptaciones; por ejemplo, un aumento en ciertos tipos de neuronas para que las regiones cerebrales pudieran seguir comunicándose cuando el cerebro se expandió.
Nuestras habilidades especiales también tienen sus desventajas. Sherwood afirma que los humanos experimentamos cambios más drásticos que otros primates, como la reducción de la corteza cerebral, debido al envejecimiento, en parte porque vivimos mucho más tiempo. Sin embargo, incluso los cerebros de los grandes simios más longevos no parecen cambiar tanto como los cerebros humanos con la edad, añade. Y algunas afecciones que parecen específicas de los humanos podrían ser el precio que pagamos por la complejidad, señala Lancaster. «Incluso un pequeño defecto podría tener consecuencias más graves», concluye.
Aún queda mucho por descubrir sobre cómo nuestro cerebro nos hace tan habladores, sociables e inteligentes. Los científicos están interesados en cómo las variantes genéticas actúan sobre las neuronas y el cerebro; cómo la actividad neuronal durante el desarrollo influye en el crecimiento; y cómo otras partes del cerebro, además de la corteza, podrían haber cambiado para dotar a los humanos de nuestras habilidades únicas.
La confluencia de tecnologías ha impulsado a los investigadores a replantearse una cuestión clásica, afirma Lancaster. «Me siento afortunado de poder dedicarme a la ciencia en este momento».
Referencias
- Herculano-Houzel, S. Front. Hum. Neurosci. 3, 31 (2009).
- Yao, Z. et al. Naturaleza 624, 317–332 (2023).
- Siletti, K. et al. Science 382, eadd7046 (2023).
- Jorstad, NL et al. Science 382, eadf6812 (2023).
- Fang, R. et al. Science 377, 56–62 (2022).
- Lindhout, FW y cols. Naturaleza 630, 596–608 (2024).
- Loomba, S. et al. Science 377, eabo0924 (2022).
- Jorstad, NL et al. Science 382, eade9516 (2023).
- Otani, T. et al. Cell Stem Cell 18, 467–480 (2016).
- Delgado, RN et al. Nature 601, 397–403 (2022).
- Schmidt, ERE et al. Naturaleza 599, 640–644 (2021).
- Fiddes, IT et al. Cell 173, 1356–1369 (2018).
- Suzuki, IK y col. Celda 173, 1370-1384 (2018).