Este artículo se publica en colaboración con MIT News.
Cuando el cerebro forma recuerdos o aprende una nueva tarea, codifica la nueva información ajustando las conexiones entre neuronas. Neurocientíficos del MIT han descubierto un mecanismo novedoso que contribuye al fortalecimiento de estas conexiones, también llamadas sinapsis.
En cada sinapsis, una neurona presináptica envía señales químicas a una o más células receptoras postsinápticas. En la mayoría de los estudios anteriores sobre cómo evolucionan estas conexiones, los científicos se han centrado en el papel de las neuronas postsinápticas. Sin embargo, el equipo del MIT ha descubierto que las neuronas presinápticas también influyen en la intensidad de la conexión.
“Este mecanismo que hemos descubierto en el lado presináptico se suma a un conjunto de herramientas que tenemos para entender cómo pueden cambiar las sinapsis”, afirma Troy Littleton, profesor de los departamentos de Biología y de Ciencias Cerebrales y Cognitivas del MIT, miembro del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT y autor principal del estudio, que aparece en el número del 18 de noviembre de la revista Neuron.
Conocer mejor cómo cambian las sinapsis sus conexiones podría ayudar a los científicos a comprender mejor los trastornos del neurodesarrollo, como el autismo, ya que muchas de las alteraciones genéticas vinculadas al autismo se encuentran en genes que codifican proteínas sinápticas.
Richard Cho, científico investigador del Instituto Picower, es el autor principal del artículo.
Reconectar el cerebro
Uno de los grandes interrogantes en el campo de la neurociencia es cómo el cerebro se reconecta en respuesta a condiciones conductuales cambiantes, una capacidad conocida como plasticidad. Esto es especialmente importante durante el desarrollo temprano, pero continúa a lo largo de la vida a medida que el cerebro aprende y forma nuevos recuerdos.
Durante los últimos 30 años, los científicos han descubierto que una fuerte señal de entrada a una célula postsináptica hace que esta transporte más receptores de neurotransmisores hacia su superficie, amplificando la señal que recibe de la célula presináptica. Este fenómeno, conocido como potenciación a largo plazo (LTP), se produce tras una estimulación persistente y de alta frecuencia de la sinapsis. La depresión a largo plazo (LTD), un debilitamiento de la respuesta postsináptica causado por una estimulación de muy baja frecuencia, puede producirse cuando estos receptores se eliminan.
Los científicos se han centrado menos en el papel de la neurona presináptica en la plasticidad, en parte porque es más difícil de estudiar, afirma Littleton.
Su laboratorio ha dedicado varios años a determinar el mecanismo por el que las células presinápticas liberan neurotransmisores en respuesta a picos de actividad eléctrica conocidos como potenciales de acción. Cuando la neurona presináptica registra una entrada de iones calcio, que transporta la descarga eléctrica del potencial de acción, las vesículas que almacenan neurotransmisores se fusionan con la membrana celular y vierten su contenido fuera de la célula, donde se unen a receptores de la neurona postsináptica.
La neurona presináptica también libera neurotransmisores en ausencia de potenciales de acción, en un proceso denominado liberación espontánea. Estos “minis” se consideraban ruido que se producía en el cerebro. Sin embargo, Littleton y Cho descubrieron que los minis podían regularse para impulsar la plasticidad estructural sináptica.
Para investigar cómo se fortalecen las sinapsis, Littleton y Cho estudiaron un tipo de sinapsis conocido como unión neuromuscular, en moscas de la fruta. Los investigadores estimularon las neuronas presinápticas con una rápida serie de potenciales de acción durante un corto período de tiempo. Como se esperaba, estas células liberaron neurotransmisores de forma sincrónica con los potenciales de acción. Sin embargo, para sorpresa de los investigadores, los eventos mini se intensificaron considerablemente mucho después de que terminara la estimulación eléctrica.
“Cada sinapsis del cerebro libera estos eventos mini, pero la gente en gran medida los ha ignorado porque solo inducen una cantidad muy pequeña de actividad en la célula postsináptica”, afirma Littleton. “Cuando aplicamos un impulso de actividad intenso a estas neuronas, estos eventos mini, que normalmente son de muy baja frecuencia, aumentaron de repente y se mantuvieron elevados durante varios minutos antes de descender.”
Crecimiento sináptico
La intensificación de los minis parece provocar que la neurona postsináptica libere un factor de señalización, aún no identificado, que regresa a la célula presináptica y activa una enzima llamada PKA. Esta enzima interactúa con una proteína de las vesículas llamada complexina, que normalmente actúa como un freno, sujetando las vesículas para impedir la liberación de neurotransmisores hasta que se necesitan. La estimulación de PKA modifica la complexina de modo que suelta su agarre sobre las vesículas de neurotransmisores, produciendo eventos mini.
Cuando estos pequeños paquetes de neurotransmisores se liberan a tasas elevadas, ayudan a estimular el crecimiento de nuevas conexiones, conocidas como botones, entre las neuronas presinápticas y postsinápticas. Esto hace que la neurona postsináptica sea aún más receptiva a cualquier comunicación futura de la neurona presináptica.
“Normalmente, cada célula tiene unos 70 de estos botones, pero si estimulas la célula presináptica puedes generar nuevos botones de forma muy rápida. Esto duplicará el número de sinapsis que se forman”, afirma Littleton.
Los investigadores observaron este proceso a lo largo del desarrollo larvario de las moscas, que dura de tres a cinco días. Sin embargo, Littleton y Cho demostraron que los cambios agudos en la función sináptica también podían conducir a la plasticidad estructural sináptica durante el desarrollo.
“La maquinaria del terminal presináptico puede modificarse de manera muy aguda para impulsar ciertas formas de plasticidad, lo que podría ser realmente importante no solo en el desarrollo, sino también en estados más maduros, en los que los cambios sinápticos pueden producirse durante procesos conductuales como el aprendizaje y la memoria”, afirma Cho.
El estudio es significativo porque es una de las primeras investigaciones en revelar cómo las neuronas presinápticas contribuyen a la plasticidad, afirma Maria Bykhovskaia, profesora de neurología en Wayne State University School of Medicine, que no participó en la investigación.
“Se sabía que el crecimiento de las conexiones neuronales estaba determinado por la actividad, pero no estaba muy claro qué ocurría específicamente”, afirma Bykhovskaia. “Utilizaron magistralmente Drosophila para determinar la vía molecular.”
El laboratorio de Littleton trata ahora de descifrar más detalles mecanísticos de cómo la complexina controla la liberación de vesículas.
La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
Para mantenerse al día con la Agenda suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autora: Anne Trafton escribe para MIT News.
Imagen: Una niña china explora un enorme modelo del cerebro expuesto en el Museo de Ciencia y Tecnología de Shanghái. REUTERS/Claro Cortes IV