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Esta imagen generada por ordenador representa un punto donde una neurona se comunica con otra. Puede haber decenas de miles de estas conexiones, llamadas sinapsis, que emanan de una sola neurona en el cerebro humano. Un creciente conjunto de investigaciones sugiere que las sinapsis deterioradas juegan un papel en condiciones como la epilepsia, la esquizofrenia, el autismo y la enfermedad de Alzheimer.
POR AMBER DANCE
Fuente: Health & Disease / 18/08/2020
Fotografía: Pixabay
Fuente original:
Los enlaces entre las células nerviosas, llamadas sinapsis, nos permiten aprender y adaptarnos, y nos dan pistas sobre condiciones como el autismo, la esquizofrenia y más.
Si se tomara un cerebro humano y se tirara en una licuadora (no es que deba hacerlo) la mezcla de células resultante no sería especial en la forma en que lo es el cerebro humano. Sin pensamientos, sin preocupaciones, sin maravillas ni asombro.
Eso es porque son las conexiones entre esas células las que hacen al cerebro tan asombroso. Enviando señales eléctricas de célula nerviosa a célula nerviosa dentro de una gran red de conexiones, el cerebro crea pensamientos tan mundanos como "¿Dónde están mis llaves?" o tan profundos como "Pienso, luego existo".
Kimberley McAllister ha estado fascinada por el cerebro humano desde la universidad. Como estudiante graduada en los años 90, estudiando neurobiología del desarrollo, se sintió atraída por la cuestión de cómo se construye el cerebro: cómo las células cerebrales individuales de un feto en crecimiento se organizan de alguna manera en un órgano capaz un día de reflexionar sobre los misterios de la vida.
Ahora directora del Centro de Neurociencia de la Universidad de California, Davis, McAllister continúa investigando cómo las células nerviosas del cerebro, llamadas neuronas, se encuentran, conectan y desconectan entre sí. Habló con la revista Knowable Magazine sobre descubrimientos clave en el estudio de las redes cerebrales, y nuevos trabajos que revelan su importancia en las enfermedades.
Esta entrevista ha sido editada para que sea más larga y clara
Los vínculos entre las neuronas se llaman sinapsis. ¿Qué es exactamente una sinapsis, y qué sucede allí?
Es básicamente una conexión: una célula hablando con otra. Una célula cerebral, o una neurona, tiene un cuerpo principal grande, con pequeñas hebras que sobresalen. Así que una neurona, el transmisor, utiliza una hebra muy delgada llamada axón. Una segunda neurona, el receptor, puede recibir contactos a lo largo de su cuerpo principal, o a lo largo de filamentos que se ramifican como un árbol, llamados dendritas. Cuando la punta del axón de un transmisor se conecta a un receptor, eso es una sinapsis.
Las neuronas funcionan con electricidad. Si una señal eléctrica pasa por un axón, su punta libera sustancias químicas llamadas neurotransmisores en la sinapsis. Estos neurotransmisores le dicen a la célula receptora que active su propia carga eléctrica, que envía la señal a la siguiente neurona de la cadena, o le dicen a la célula receptora que se quede quieta.
Estructura de la sinapsis
Cuando una célula nerviosa se comunica con otra célula nerviosa, el mensaje se transmite desde la punta de un axón, los largos y delgados brazos que se extienden desde el cuerpo principal de la célula. Esta terminal de axón libera mensajeros químicos conocidos como neurotransmisores (puntos azules), en el espacio entre las dos células, llamado hendidura sináptica. Las proteínas receptoras en la dendrita de una célula receptora (otro brazo ramificado) recogen estos neurotransmisores, que le dicen a la célula receptora si debe quedarse quieta o enviar el mensaje. Esta representación tan simplificada también muestra un puñado de los miles de tipos de proteínas que se encuentran en las sinapsis, incluyendo canales iónicos con voltaje que ayudan a los nervios a enviar señales eléctricas, y proteínas de transporte que transportan moléculas dentro y fuera de las células.
Pero no es tan simple como un receptor para cada transmisor. Por ejemplo, en la corteza frontal - la parte del cerebro que alberga las habilidades como el lenguaje que nos distinguen de otros animales - las neuronas se ven hermosas, como los árboles. Pueden tener 10.000 o más sinapsis en sus dendritas ramificadas, cada una de las cuales puede recibir información de una célula diferente.
La actividad de esos miles de entradas se suma para hacer que la neurona se dispare, o no, y así es como la información se transfiere en el cerebro. Este tipo de transferencia de información, a través de complicadas redes hechas por los 120 mil millones de neuronas en el cerebro humano, permite pensamientos complejos.
Los axones y las dendritas pueden moverse, especialmente cuando el cerebro es joven. La forma en que conectan las neuronas individuales crea las vías de la red. Durante el desarrollo, los 100 billones de sinapsis en la corteza humana se forman a un ritmo estimado de 10.000 cada 15 minutos. Juntas, todas estas sinapsis crean una red gigante. Y eso nos da conciencia.
Has estado estudiando las sinapsis durante más de dos décadas. ¿Cómo ha evolucionado nuestra comprensión?
Cuando empecé, no sabíamos nada sobre cómo se forman las sinapsis. Desarrollé una técnica para estudiar el crecimiento de las dendritas. Nos dimos cuenta de que la forma de las neuronas y dendritas depende de la actividad de las sinapsis. Es decir, si el cerebro no recibe información (de los sentidos y del entorno) y no responde con conversaciones a través de la red, entonces las neuronas no construirán los receptores correctos, y el cerebro no se desarrollará adecuadamente.
Las sinapsis son máquinas moleculares muy pequeñas pero increíblemente complejas hechas de proteínas que guían, mantienen y fortalecen las conexiones. Uno de los mayores avances, en los últimos 20 años, ha sido nuestra identificación del tremendo número de proteínas que forman estas conexiones. Los bioquímicos estiman que hay miles de proteínas diferentes y distintas en cada sinapsis. La asombrosa diversidad de estas proteínas es lo que permite al cerebro afinar la fuerza y la estabilidad de las sinapsis, permitiéndonos pensar pensamientos complejos y construir recuerdos.
Hemos aprendido que si hay una mutación genética que cambia la función de una de estas proteínas, puede contribuir a trastornos como el autismo, la esquizofrenia y la depresión. Hemos llegado a pensar en estas condiciones como trastornos de sinapsis, o sinaptopatías.
En un feto en desarrollo o en un bebé, se ha pensado que las neuronas forman muchas conexiones a voluntad, como se describe en la deliciosa frase "sinaptogénesis exuberante". ¿Cómo construye este proceso un cerebro organizado?
Cuando las neuronas nacen en el cerebro fetal, migran a su posición correcta. Una forma simplificada de pensar al respecto es que algunas se mueven al cerebro, que está involucrado en trabajos como el habla y el razonamiento, otras al cerebelo, que está involucrado en la coordinación de los movimientos, y otras al tronco cerebral donde se arraigan las acciones automáticas del cuerpo como la respiración. Una vez posicionados, los axones siguen caminos químicos hacia las áreas objetivo, ya sea en la misma parte del cerebro o en otro lugar.
En los libros de texto, se dice que una vez que están en el área objetivo básica, los axones forman conexiones exuberantes; entonces el exceso de sinapsis se poda sólo más tarde en el desarrollo. Pero ahora sabemos que hay moléculas que limitan la formación de sinapsis para empezar, que la formación inicial está más controlada.
La mayoría de las neuronas del cerebro se desarrollan antes del nacimiento, pero el cerebro sigue madurando mucho después, con las neuronas haciendo y rompiendo un asombroso número de conexiones, llamadas sinapsis. Las neuronas que se ven en este vídeo fueron aisladas de la corteza de un ratón recién nacido y crecieron en un plato donde se les tomó una imagen cada 30 minutos entre los días seis y ocho después del nacimiento. Las esbeltas proyecciones celulares llamadas axones (rojo) buscan las dendritas ramificadas (verde) de las neuronas vecinas, para formar conexiones.
CRÉDITO: A. KIMBERLEY MCALLISTER / SCOTT CAMERON
La capacidad del cerebro para fortalecer o debilitar las sinapsis dependiendo de lo activas que sean se suele denominar "plasticidad". ¿Qué es la plasticidad y por qué es importante?
La plasticidad significa que el cerebro puede cambiar, por ejemplo alterando las conexiones en sus redes. Sin plasticidad, no seríamos capaces de aprender o adaptarnos a nuestro entorno. Cuando aprendes algo, tienes actividad eléctrica que pasa por diferentes circuitos. Esos impulsos eléctricos cambian la fuerza de conexiones específicas, haciéndolas más fuertes o más débiles.
Por ejemplo, si aprendes que "hola" significa "hola" en español, ciertas sinapsis se harán más fuertes. Esto es el resultado de los cambios en las diversas proteínas que componen la sinapsis.
Los científicos pueden ver esto cuando imitan el aprendizaje en rebanadas de cerebro en platos de laboratorio, e incluso en animales vivos. Las dendritas tienen pequeñas protuberancias, llamadas espinas, que actúan como receptores de señales. Después del aprendizaje, estas espinas se hacen más grandes, y es más probable que se queden. Este tipo de cambio es parte de la plasticidad.
Los niños pequeños son muy buenos para absorber nueva información y habilidades. Como adultos, a menudo no somos tan buenos en esto. ¿Cómo cambia la plasticidad con la edad?
Los cerebros de los animales jóvenes tienen mucha plasticidad. Por cada habilidad del cerebro, como aprender un idioma, hay un período crítico en el que el aprendizaje es fácil. Ese período crítico es cuando el cerebro está haciendo muchos cambios. Si observas esas espinas dendríticas en un cerebro joven, se mueven como locas.
Pero cuando miras un cerebro adulto, las espinas no se mueven mucho. Eso se debe a que el material que actúa como pegamento entra y mantiene las neuronas en su lugar. El período crítico para cada región del cerebro se cierra en un momento diferente. Por ejemplo, el período crítico para el desarrollo del lenguaje comienza a cerrarse alrededor de los 5 años. Pero la capacidad del cerebro para hacer juicios racionales no madura completamente hasta alrededor de los 25 años.
Así que las conexiones son bastante estables en los adultos, pero la plasticidad no desaparece por completo. En los adultos, no se trata tanto de añadir o eliminar conexiones, sino de afinar la fuerza de las sinapsis, usando todas esas proteínas de la sinapsis.
Uno de los grandes misterios es por qué los adultos pierden esa capacidad de aprender tan fácilmente. En algunos casos, como en las partes del sistema visual de las ranas y los peces de colores, esta plasticidad no desaparece. Los científicos están tratando de entender lo que sucede en esas criaturas. Si pudiéramos reabrir el período crítico en alguien cuyos nervios están dañados o deteriorados, tal vez podríamos restablecer las conexiones.
Para estudiar las sinapsis, los científicos primero abordaron la unión neuromuscular, donde ciertas neuronas se encuentran con los músculos para controlar el movimiento. ¿A dónde fueron los investigadores a partir de ahí?
En la década de 1990 y principios de 2000, el campo estaba completamente dominado por los estudios de la unión neuromuscular. Es una sinapsis mucho más simple que las del cerebro. Aprendimos mucho.
Pero en el cerebro, las sinapsis son mucho más diversas. Centrarse en el cerebro se hizo posible con el desarrollo de técnicas que nos permitieron sacar las neuronas del cerebro y ver, en un plato, como forman redes. Así que podemos empezar a evaluar cómo se forman, funcionan y desaparecen las sinapsis en las complejas redes que forman incluso fuera del cerebro.
Lo que hemos descubierto es que hay enormes diferencias entre el cerebro y la unión neuromuscular. Hay muchos, muchos más tipos diversos de sinapsis en el cerebro, y más tipos de neurotransmisores. Esto hace que el cerebro sea mucho más complicado - ¡no para disminuir la complejidad de la unión neuromuscular! y superinteresante.
Los investigadores también han descubierto una nueva clase de moléculas que mantienen unidos los dos lados de la sinapsis. ¿Por qué son importantes?
Estas moléculas abarcan la brecha entre los dos lados de la sinapsis, manteniendo las células transmisoras y receptoras juntas como cremalleras, y son realmente importantes para la formación y eliminación de la sinapsis.
Resulta que las mutaciones que alteran muchas de estas moléculas "cremalleras" hacen que las sinapsis sean disfuncionales, y están asociadas con desórdenes cerebrales como la epilepsia, el síndrome de Down y la enfermedad de Alzheimer. Por ejemplo, los defectos en el gen de una proteína de la cremallera llamada neuroligina se relacionaron con el autismo; luego los investigadores encontraron mutaciones en el mismo gen en personas con esquizofrenia.
Pero también se puede tener estas mutaciones y no tener ningún trastorno cerebral. Una de las preguntas candentes en este momento es: ¿qué hace que alguien con una mutación en la proteína de la cremallera manifieste síntomas y por qué se presentan distintos conjuntos de síntomas (es decir, autismo vs. esquizofrenia) en distintas personas con las mismas mutaciones?
Creo que estas proteínas de la cremallera pueden resultar aún más interesantes que otras partes de la sinapsis. Los científicos ahora quieren entender: ¿Cómo podemos desarrollar drogas para arreglar las sinapsis disfuncionales?
Se ha pensado que el cerebro está algo aislado del sistema inmunológico del cuerpo. Sin embargo, usted y otros están estudiando el papel de las células y moléculas inmunes en el cerebro. ¿Qué es lo que hacen?
Hay una gran excitación sobre un tipo particular de célula inmune llamada microglia. Estas células eliminan las células muertas y otros materiales usados en el cerebro. La microglia puede eliminar las sinapsis comiéndolas. Sabemos que están involucradas en enfermedades cerebrales como el Alzheimer, porque son cambiadas a su estado activo, anti-infección en personas con esas condiciones. Pero sigue siendo un rompecabezas cómo contribuyen exactamente.
He estado estudiando las funciones cerebrales de las moléculas inmunes llamadas MHC1. Estas moléculas se pegan en la superficie de casi todas las células. Su trabajo tradicional es decirle al sistema inmunológico que esas células son parte del cuerpo, y no algo a lo que atacar. Las moléculas del MHC1 también están involucradas en la plasticidad sináptica. Previenen la formación de sinapsis en una etapa temprana, por lo que hacen que el desarrollo del cerebro sea menos exuberante y más controlado.
También creo que las moléculas MHC1 están implicadas en cómo los productos químicos o las infecciones afectan al desarrollo del cerebro. Soy parte de un grupo que estudia cómo las infecciones en las mujeres embarazadas exacerban el riesgo del bebé de sufrir un eventual trastorno del espectro autista o esquizofrenia. En un proyecto, estamos estudiando la descendencia de ratones madre después de que las madres fueron expuestas a una sustancia parecida a un virus que provoca una respuesta inmunológica. Los ratones descendientes tienen más MHC1, y menos sinapsis, en sus cerebros que los animales de control. Esto sugiere que las infecciones que comprometen el sistema inmunológico pueden cambiar el circuito cerebral a través de los niveles cambiantes de las moléculas inmunes en las sinapsis.
Por un lado, el hecho de que las infecciones puedan alterar el desarrollo del cerebro es aterrador. Por otro lado, la mayoría de las veces las infecciones no afectan al cerebro. Si podemos entender mejor cómo, cuándo y por qué el sistema inmunológico regula el desarrollo del cerebro, podríamos algún día ser capaces de desarrollar medicamentos para cambiar la respuesta inmunológica y arreglar lo que está pasando, o yendo mal, en el cerebro.
Amber Dance, periodista científica independiente en el área de Los Ángeles, disfruta de los cambios sinápticos que conlleva la investigación de un nuevo tema.
Nº de referencia: 10.1146/knowable-081720-3
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