La idea de un cerebro artificial parece más cercana. A esto apunta una nueva investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), donde han desarrollado un "entorno similar al cerebro" impreso en 3D en el que las neuronas crecen de forma similar a un cerebro real. Utilizando nanopilares diminutos, imitan el tejido neural blando y las fibras de la matriz extracelular del cerebro. Este modelo proporciona nuevos conocimientos sobre cómo las neuronas forman redes, así como una herramienta novedosa para comprender en el futuro cómo puede cambiar este proceso en trastornos neurológicos como el Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y los trastornos del espectro autista.
No en vano, las neuronas, células clave del cerebro, forman redes mediante el intercambio de señales, lo que permite al cerebro aprender y adaptarse a una velocidad increíble. Como muchas células del cuerpo, las neuronas responden a la rigidez y geometría de su entorno. Las placas de Petri tradicionales son planas y rígidas, a diferencia del entorno blando y fibroso de la matriz extracelular del cerebro. Para asemejar las propiedades geométricas y mecánicas de este entorno, el equipo del profesor asociado Angelo Accardo diseñó conjuntos de nanopilares utilizando polimerización de dos fotones, una técnica de impresión 3D asistida por láser con precisión a nanoescala.
"Esto engaña a las neuronas para que 'piensen' que están en un entorno blando, similar al del cerebro, a pesar de que el material de los nanopilares en sí es rígido"
Estos pilares, cada uno de los cuales es mil veces más delgado que un cabello humano, están dispuestos como pequeños bosques en una superficie. Al cambiar el ancho y la altura, o la relación de aspecto, de los pilares, los investigadores ajustaron su módulo de corte efectivo, una propiedad mecánica que detectan las células cuando se arrastran sobre conjuntos de micro o nanoestructuras. "Esto engaña a las neuronas para que 'piensen' que están en un entorno blando, similar al del cerebro, a pesar de que el material de los nanopilares en sí es rígido".
“Al doblarse bajo el arrastre de las neuronas, los nanopilares no solo simulan la suavidad del tejido cerebral, sino que también proporcionan una estructura nanométrica tridimensional a la que las neuronas pueden agarrarse, de forma muy similar a las nanofibras de la matriz extracelular del tejido cerebral real”, afirma Accardo, quien aclara que esto influye en la forma en que las neuronas crecen y se conectan entre sí.
HACIA REDES ORDENADAS
Para probar el modelo, los investigadores cultivaron tres tipos diferentes de células neuronales, derivadas de tejido cerebral de ratón o de células madre humanas, en los nanopilares. En las placas de Petri planas tradicionales y los biomateriales 2D, las neuronas crecieron en direcciones aleatorias. Pero en las matrices de nanopilares impresas en 3D, los tres tipos de células crecieron en patrones más organizados, formando redes en ángulos específicos.
El estudio, publicado en Advanced Functional Materials y presentado en su portada, también reveló nuevos conocimientos sobre los conos de crecimiento neuronal.
“El sistema no solo influye en la dirección del crecimiento, sino que también promueve la maduración neuronal. Además, hemos descubierto que el entorno creado por los nanopilares también parecía favorecer la maduración de las neuronas”
“Estas estructuras similares a manos guían las puntas de las neuronas en crecimiento mientras buscan nuevas conexiones. En superficies planas, los conos de crecimiento se extienden y permanecen relativamente planos. Pero en las matrices de nanopilares, los conos de crecimiento enviaron proyecciones largas, similares a dedos, explorando su entorno en todas las direcciones, no solo a lo largo de un plano sino también en el espacio 3D, asemejándose a lo que sucede en un entorno cerebral real”, remarca el profesor.
Las células progenitoras neuronales cultivadas en los pilares mostraron niveles más elevados de un marcador de neuronas maduras, en comparación con las cultivadas en superficies planas. “Esto demuestra que el sistema no solo influye en la dirección del crecimiento, sino que también promueve la maduración neuronal. Además, hemos descubierto que el entorno creado por los nanopilares también parecía favorecer la maduración de las neuronas”, destaca George Flamourakis, primer autor del estudio.
ESTUDIO DE TRASTORNOS CEREBRALES
Habiendose constatado la importancia de la suavidad, la pregunta que surge es: ¿Por qué no cultivar neuronas en materiales blandos como los geles? “El problema es que las matrices de gel, como el colágeno o Matrigel, suelen sufrir una variabilidad de lote a lote y no presentan características geométricas diseñadas racionalmente. El modelo de matrices de nanopilares ofrece lo mejor de ambos mundos: se comporta como un entorno blando con características nanométricas y tiene una reproducibilidad extremadamente alta gracias a la resolución de la polimerización de dos fotones”, explica Accardo a este respecto.
Al replicar mejor cómo crecen y se conectan las neuronas, el modelo desarrollado podría ofrecer nuevos conocimientos sobre las diferencias entre las redes cerebrales sanas y las asociadas con trastornos neurológicos
Finalmente, cabe destacar que las líneas de trabajo futuro en este ámbito son prometedoras. Al replicar mejor cómo crecen y se conectan las neuronas, el modelo desarrollado podría ofrecer nuevos conocimientos sobre las diferencias entre las redes cerebrales sanas y las asociadas con trastornos neurológicos, como el Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y los trastornos del espectro autista.