Dynamics and effective connectivity in bi- and three-dimensional neuronal cultures: from self-organization to engineering
- Autores: Estefania Estévez Priego
- Directores de la Tesis: Jordi Soriano Fradera (dir. tes.), Daniel Tornero Prieto (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Cristina Masoller Alonso (presid.), Jesús Gómez Gardeñes (secret.), Hideaki Yamamoto (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de Barcelona
- Materias:
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- Resumen
La presente tesis doctoral se enmarca en el contexto de la Física de la Materia Condensada, la Biofísica y la Neurociencia. Principalmente, se centra en el estudio de la conectividad funcional en cultivos neuronales bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D). El trabajo se ha desarrollado en el Laboratorio del director de tesis Dr. Jordi Soriano, en la Facultad de Física de la Universitat de Barcelona, junto con el codirector Dr. Daniel Tornero, en el Hospital Clínic de Barcelona. Esta tesis forma parte del proyecto europeo MESO-BRAIN, del programa Future and Emergent Technologies (FET) de la Comisión Europea, Horizon2020.
El trabajo de investigación combina experimentos con cultivos neuronales (de rata embrionaria o células humanas pluripotentes) y un análisis detallado en el contexto de teoría de redes y sistemas complejos. Los principales núcleos del trabajo realizado son los siguientes: (i) Actividad funcional en cultivos de redes neuronales y los mecanismos homeostáticos que emergen en presencia de perturbaciones; (ii) el desarrollo de herramientas de neuroingeniería para preparar cultivos ad hoc con conectividad dirigida mediante scaffolds; (iii) el análisis exhaustivo de los procesos de formación y madurez de redes funcionales humanas obtenidas de células madre pluripotentes inducidas, una nueva tecnología que promete revolucionar el campo de la medicina regenerativa; y (iv) la caracterización de cultivos neuronales 3D en estructuras que imitan la matriz extracelular natural de su entorno. Entre las diversas técnicas para la realización de cultivos tridimensionales, destacan los hidrogeles semi-sintéticos, constituidos en base a polímeros altamente hidratados con alta biocompatibilidad y cuyas propiedades mecánicas pueden ser manipuladas para obtener la estructura óptima según el tipo de tejido.
En conjunto, los resultados de la presente tesis muestran la gran versatilidad de los cultivos neuronales y aportan avances relevantes en el estudio de plasticidad en redes neuronales, madurez y desarrollo tanto en 2D como en 3D, con sus correspondientes diferencias, incluyendo el uso de neuronas humanas derivadas de células madre inducidas. En el futuro, estos estudios nos permitirán incrementar nuestro conocimiento sobre el funcionamiento global del cerebro y avanzar en la investigación de diferentes enfermedades neurodegenerativas.
