Científicos crean un mini-cerebro neandertal completamente funcional

un profundo y Análisis detallado de ADN neandertal ha revelado la existencia de un gen distinto, llamado NOVA1, que se cree que influyó significativamente en el desarrollo temprano del cerebro en esta especie extinta hace mucho tiempo. Las pruebas de laboratorio en un "mini cerebro" de Neanderthal muestran que este gen produce cambios en la estructura y actividad neuronal que habrían creado una discrepancia dramática entre el funcionamiento de los cerebros de Neanderthal y Homo sapiens (humano moderno).

Un equipo de investigadores afiliados a la Facultad de Medicina de UC San Diego cree que esta diferencia podría ser significativa. Creen que la presencia de este gen y su impacto en el desarrollo y la función del cerebro pueden representar un punto principal de separación entre nuestros primos neandertales y nosotros. Los neandertales se extinguieron hace 40.000 años, mientras que el Homo sapiens sobrevivió, y un estudio más profundo de la influencia de NOVA1 podría ayudar a explicar por qué fue así.

Cómo se utilizó el gen NOVA1 para crear organoides corticales para los minicerebros utilizados en el estudio. (Trujillo y otros/ La ciencia)

Índice
  1. Desarrollo cerebral y minicerebro neandertal
  2. Genética neurológica y capacidades de supervivencia en las dos especies
  3. Tu "neandertal interior": 1-4% de tu cerebro

Desarrollo cerebral y minicerebro neandertal

El genoma completo de la especie neandertal se secuenció en 2013, basándose en un fósil de falange neandertal (hueso del dedo) encontrado en Siberia.

Con esta información en la mano, el equipo de investigación de la Facultad de Medicina de UC San Diego buscó aislar los genes neandertales que estaban íntimamente involucrados en los procesos de desarrollo del cerebro. Finalmente, eligieron a NOVA1 como el candidato a estudiar y luego se dispusieron a diseñar un experimento que probaría su hipótesis de que NOVA1 tenía un impacto significativo.

Usando las características de huellas genéticas de NOVA1 como guía, los investigadores aplicaron la tecnología de edición de genes CRISPR a células madre maleables, para replicar las células cerebrales neandertales en condiciones de laboratorio controladas.

Pero ese fue solo el primer paso en el proceso de replicación. El objetivo final era crear un "mini-cerebro" neandertal completamente funcional a partir de estas células madre, en forma de un pequeño grupo de células cerebrales que imitarían la estructura y función de los cerebros reales hasta cierto punto.

Este tipo de clúster se conoce como cerebro organoide . Los neurocientíficos pueden engañarlos para que se unan enviando las señales químicas apropiadas a las células madre, que luego producirán células cerebrales con la identidad de ADN y la forma estructural correctas. Los organoides cerebrales se cultivan en placas de Petri, donde sus actividades pueden examinarse y analizarse de cerca.

Debe enfatizarse que estos proto-órganos no funcionan con el nivel de complejidad de un cerebro normal. Son herramientas que permiten un estudio más detallado de los procesos de desarrollo del cerebro, así como algunas formas simples de funcionamiento del cerebro, que no pueden entenderse completamente solo con el análisis del ADN.

El equipo de investigación involucrado en este proyecto había utilizado previamente células madre para crear organoides cerebrales a partir de otras especies de primates, incluidos chimpancés y bonobos. Su éxito en la creación de un cerebro neandertal en miniatura es verdaderamente innovador. Hasta ahora, se desconocía si se podía crear un organoide cerebral funcional a partir del material genético recuperado de una especie extinta.

Los neandertales aparecieron por primera vez en el registro fósil hace unos 430.000 años, por lo que lo que estos científicos están estudiando en sus placas de Petri les ofrece un vistazo a un pasado tan lejano que casi desafía la imaginación.

Las placas de Petri como estas son el punto de partida para el proceso de creación del mini-cerebro. (Laboratorio Muotri / universidad de san diego )

Tras un examen más detenido del organoide neandertal, los investigadores encontraron signos claros de bifurcación, o división en dos partes, en comparación con los organoides del Homo sapiens.

Para empezar, las formas de los dos mini-cerebros eran diferentes. La división celular y la procreación progresaron de manera diferente en cada tipo de organoide, al igual que los procesos mediante los cuales se crean las conexiones sinápticas entre las neuronas. Las proteínas involucradas en la formación de sinapsis eran diferentes, lo que ayudó a crear alteraciones en la actividad de los impulsos eléctricos (era mayor en las primeras etapas del desarrollo cerebral en los neandertales).

En particular, la actividad eléctrica más intensa demostrada en las células cerebrales en etapa temprana no condujo a la creación de redes neuronales sincronizadas en los organoides cerebrales neandertales, que es otro punto de división con el organoide Homo sapiens.

Nada de esto significa que los neandertales vivos fueran necesariamente menos inteligentes que sus primos humanos. Simplemente significa que sus cerebros tenían una estructura única y funcionaban de manera diferente, lo que podría haber tenido implicaciones en su capacidad para prosperar y sobrevivir en entornos marginales o si ocupaban el mismo espacio que el Homo sapiens (como hace 60.000 años). .

Los organoides corticales que llevan NOVA1 arcaico (abajo) y NOVA1 moderno (arriba) difieren en forma y desarrollo neuronal. (Trujillo y otros/ La ciencia)

Genética neurológica y capacidades de supervivencia en las dos especies

Aunque este proyecto de investigación se centró en las actividades de un gen neandertal específico, hay un giro en la historia. Desde el punto de vista de la historia evolutiva comparativa, no es la presencia de Nova1 en los neandertales lo que tiene las implicaciones más dramáticas. Es más el gen faltar de presencia en los seres humanos modernos que más importa.

La evidencia fósil y de ADN sugiere que el Homo sapiens y los neandertales se separaron de su línea ancestral común hace entre 650.000 y 500.000 años. Esta divergencia incluyó varios cambios en la composición genética en ambos lados de la división, lo que, entre otros efectos, significó que el gen NOVA1 se desarrolló en los neandertales y no en los humanos, o persistió en los neandertales y no en los humanos si ya existía antes de la divergencia. ocurrió.

"Es fascinante ver que una alteración de un solo par de bases en el ADN humano puede alterar la forma en que está conectado el cerebro", dijo Alysson Muotri, investigadora principal del proyecto, profesora de medicina molecular y celular en la Universidad de California en San Diego. Él dice que el estudio de su equipo "podría ayudar a explicar algunas de nuestras habilidades modernas en el comportamiento social, el lenguaje, la adaptación, la creatividad y el uso de la tecnología".

En otras palabras, las discrepancias en la función cerebral atribuibles a las diferencias genéticas podrían haber dado al Homo sapiens una ventaja competitiva, una vez que las dos especies restablecieron el contacto hace 60.000 años. Tales diferencias podrían haberlos hecho mejores cazadores, mejores en defensa propia y guerra, más capaces de comportamiento organizado y cooperativo de varios tipos, o más capaces de sobrevivir en condiciones climáticas extremas. Incluso pequeñas variaciones en estas habilidades podrían haber llevado al triunfo final del Homo sapiens sobre los neandertales, si de hecho hubiera competencia por tierras y recursos relativamente escasos.

Comparación de rostros de Homo sapiens (izquierda) y Neanderthal (derecha). (Daniela Hitzemann (en la foto de la izquierda), Stefan Scheer (en la foto de la derecha) /desconocido (reconstrucciones)/ CC BY-SA 4.0 )

Tu "neandertal interior": 1-4% de tu cerebro

Aunque hay buenas teorías para evaluar, nunca sabremos con certeza por qué se extinguieron los neandertales. Pero una cosa que podemos decir con certeza es que los neandertales ayudaron a convertirnos en lo que somos, literalmente.

Aunque ya no existen como una especie separada, los neandertales todavía están aquí, dentro de nosotros. La investigación genética confirma que entre el uno y el cuatro por ciento del código genético humano fue heredado de los neandertales, a través del mestizaje que ocurrió cuando las dos especies vivían una al lado de la otra.

Parece que la relación entre el Homo sapiens y los neandertales debió incluir una mezcla de competencia y cooperación. En general, aproximadamente el 20 % del código genético total de los neandertales todavía sobrevive dentro de los cromosomas humanos, brindándonos una conexión viva con nuestra rica, compleja y fascinante historia evolutiva.

Imagen de portada: Una comparación de cráneos humanos modernos (izquierda) y neandertales (derecha) del Museo de Historia Natural de Cleveland Fuente: hairymuseummatt (foto original), DrMikeBaxter (trabajo derivado) / CC BY-SA 2.0

Por Nathan Falde

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