Redes funcionales distintas derivadas de la actividad neuronal de células madre pluripotentes inducidas humanas

Observar cómo las neuronas aprenden a comunicarse

¿Cómo pequeñas agrupaciones de células cerebrales humanas aprenden a comunicarse y por qué su charla a veces se desvanece con el tiempo? En este estudio, los científicos cultivaron redes de neuronas derivadas de células madre humanas y registraron su actividad eléctrica durante casi dos meses. Su objetivo fue entender cómo células simples e inmaduras se transforman en redes organizadas que disparan al unísono, un proceso que subyace al aprendizaje, la memoria y muchos trastornos cerebrales.

De células similares a la piel a circuitos cerebrales en miniatura

Los investigadores comenzaron con células madre pluripotentes inducidas, o iPSCs—células adultas humanas que se han reprogramado para comportarse como células embrionarias. Estas iPSC se dirigieron a convertirse en neuronas excitadoras y se cultivaron junto con células de apoyo en forma de estrella llamadas astrocitos. Con el paso de los días, las culturas mixtas se aplanaron formando una capa delgada y pequeños cúmulos conectados por procesos largos y ramificados que recuerdan el cableado del cerebro. Mediante tinciones químicas que iluminan proteínas específicas, el equipo confirmó que estas células estaban formando ambos lados de las sinapsis, las uniones donde las neuronas transmiten señales.

Siguiendo el auge y la caída de las conversaciones neuronales

Para seguir cómo se comportaban estas neuronas cultivadas con el tiempo, los investigadores usaron una matriz de múltiples electrodos, una placa con sensores diminutos que pueden detectar picos eléctricos de muchas células a la vez. Registraron fragmentos de cinco minutos de actividad en 24 placas en 21 días diferentes, entre el día 18 y el día 55 de cultivo. Al principio, los picos estaban dispersos y eran poco frecuentes. Durante la semana y media siguiente, el número total de picos, la frecuencia con la que ocurrían y la aparición de rápidas “explosiones” de picos aumentaron de forma sostenida, alcanzando su máximo alrededor de los días 24 a 28. Tras aproximadamente un mes en la placa, estas medidas comenzaron a disminuir, lo que sugiere que las redes estaban perdiendo parte de su impulsión coordinada inicial.

Tres etapas distintas de organización de la red

En lugar de fijarse solo en los recuentos de picos, el equipo se centró en cuán bien diferentes partes de la red disparaban juntas. Usaron una medida matemática llamada bloqueo de fase para estimar cuán ligada estaba la actividad en un electrodo con la de otros. Esto les permitió construir mapas de “conectividad funcional”: diagramas abstractos que muestran qué regiones tienden a actuar en conjunto. Al agrupar los datos por edad, emergieron tres patrones claros. En la fase más temprana (días 18–23), la mayor parte de la comunicación se canalizaba a través de un único nodo central, y el ritmo de la red era débil y ampliamente disperso. En la fase intermedia (días 24–28), las conexiones se volvieron más abundantes y se compartieron de forma más equitativa entre varios nodos, y la red latió con un ritmo más fuerte y regular. En la fase final (días 32–55), los mapas se simplificaron de nuevo, con menos nodos centrales y un ritmo más débil y menos estructurado, lo que indica una ruptura parcial o poda de conexiones.

Relacionando estructura, sinapsis y actividad

El grupo también investigó qué cambios ocurrían físicamente en las culturas mientras evolucionaban estos patrones eléctricos. Entre el día 21 y el día 28, las proteínas que señalan la presencia de sinapsis—pequeños puntos de contacto que permiten la comunicación entre neuronas—aumentaron notablemente. Al mismo tiempo, los marcadores de ramas largas y en crecimiento disminuyeron, lo que implica que las células pasaban de construir nuevas extensiones a refinar y fortalecer conexiones específicas. Un “índice de maduración” combinado, basado en varias proteínas relacionadas con las sinapsis, más que se duplicó en este período. En conjunto, estos cambios estructurales coincidieron con los datos eléctricos: a medida que las sinapsis se multiplicaban y se estabilizaban, la actividad de la red se volvió más sincronizada y organizada antes de disminuir finalmente.

Por qué importan estas mini-redes

Para el lector general, el mensaje clave es que pequeñas redes cultivadas en laboratorio de células cerebrales humanas atraviesan etapas de vida reconocibles: primero se encienden, luego se vuelven muy coordinadas y, finalmente, pierden parte de ese orden. Este estudio demuestra que estos cambios pueden seguirse en detalle usando registros eléctricos no invasivos y marcadores estructurales cuidadosamente seleccionados. Dado que las células madre pueden obtenerse de cualquier individuo, tales redes in vitro ofrecen una vía poderosa para estudiar cómo las diferencias genéticas o los posibles tratamientos moldean el cableado y la sincronía de la actividad cerebral humana, sin necesidad de grabar directamente desde el cerebro.»

Cita: Mehrkanoon, S., Rollo, B., Gu, J. et al. Distinct functional networks derived from human induced pluripotent stem cell neuronal activity. Sci Rep 16, 12659 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40552-0

Palabras clave: células madre pluripotentes inducidas, redes neuronales, matriz de múltiples electrodos, maduración sináptica, conectividad funcional