Neurocientíficos del MIT han demostrado que las neuronas humanas tienen muchos menos canales iónicos que las neuronas de otros mamíferos.
Descubrieron que, a medida que aumenta el tamaño de las neuronas en los mamíferos, también aumenta la densidad de canales, excepto en los humanos.
Los investigadores creen que los humanos han desarrollado una menor densidad de canales, lo que los hace más eficientes energéticamente.
Las neuronas se comunican entre sí mediante impulsos eléctricos, que producen los canales iónicos al controlar el flujo de iones como el potasio y el sodio. En un nuevo hallazgo sorprendente, neurocientíficos del MIT han demostrado que las neuronas humanas tienen muchos menos de estos canales de lo esperado en comparación con las neuronas de otros mamíferos.
Los investigadores plantean la hipótesis de que esta reducción de la densidad de canales pudo haber ayudado al cerebro humano a evolucionar para funcionar de manera más eficiente, permitiéndole destinar recursos a otros procesos de alto consumo energético necesarios para realizar tareas cognitivas complejas.
«Si el cerebro puede ahorrar energía reduciendo la densidad de canales iónicos, puede utilizarla en otros procesos neuronales o de los circuitos», afirma Mark Harnett, profesor asociado de ciencias cognitivas y del cerebro, miembro del Instituto McGovern de Investigación Cerebral del MIT y autor principal del estudio.
Harnett y sus colegas analizaron neuronas de 10 mamíferos distintos, en el estudio electrofisiológico más exhaustivo de su tipo, e identificaron un «plan de construcción» que se cumple en todas las especies que estudiaron, excepto en los humanos. Descubrieron que, a medida que aumenta el tamaño de las neuronas, también aumenta la densidad de canales que contienen.
Sin embargo, las neuronas humanas resultaron ser una notable excepción a esta regla.
«Estudios comparativos anteriores establecieron que el cerebro humano está construido como los de otros mamíferos, así que nos sorprendió encontrar pruebas sólidas de que las neuronas humanas son especiales», afirma Lou Beaulieu-Laroche, exestudiante de posgrado del MIT.
Beaulieu-Laroche es el autor principal del estudio, que se publica hoy en Nature.
Un plan de construcción
Las neuronas del cerebro de los mamíferos pueden recibir señales eléctricas de miles de otras células, y esa información determina si emitirán o no un impulso eléctrico llamado potencial de acción. En 2018, Harnett y Beaulieu-Laroche descubrieron que las neuronas humanas y las de rata difieren en algunas de sus propiedades eléctricas, principalmente en unas partes de la neurona llamadas dendritas: antenas arbóreas que reciben y procesan información de otras células.
Uno de los hallazgos de ese estudio fue que las neuronas humanas tenían una densidad de canales iónicos menor que las neuronas del cerebro de la rata. A los investigadores les sorprendió esta observación, ya que por lo general se suponía que la densidad de canales iónicos era constante entre especies. En su nuevo estudio, Harnett y Beaulieu-Laroche decidieron comparar neuronas de varias especies de mamíferos para ver si podían encontrar patrones que rigieran la expresión de los canales iónicos. Estudiaron dos tipos de canales de potasio dependientes del voltaje y el canal HCN, que conduce tanto potasio como sodio, en neuronas piramidales de la capa 5, un tipo de neuronas excitadoras presentes en la corteza cerebral.
Pudieron obtener tejido cerebral de 10 especies de mamíferos: musarañas etruscas (uno de los mamíferos más pequeños conocidos), jerbos, ratones, ratas, cobayas, hurones, conejos, titíes y macacos, además de tejido humano extraído durante una cirugía cerebral de pacientes con epilepsia. Esta variedad permitió a los investigadores abarcar distintos grosores corticales y tamaños de neuronas en todo el reino de los mamíferos.
Los investigadores descubrieron que, en casi todas las especies de mamíferos que estudiaron, la densidad de canales iónicos aumentaba a medida que crecía el tamaño de las neuronas. La única excepción a este patrón eran las neuronas humanas, que tenían una densidad de canales iónicos mucho menor de lo esperado.
Harnett afirma que el aumento de la densidad de canales entre especies fue sorprendente, porque cuantos más canales hay, más energía se necesita para bombear iones hacia dentro y fuera de la célula. Sin embargo, añade, empezó a tener sentido cuando los investigadores comenzaron a pensar en el número de canales en el volumen total de la corteza.
En el diminuto cerebro de la musaraña etrusca, repleto de neuronas muy pequeñas, hay más neuronas en un volumen determinado de tejido que en el mismo volumen de tejido del cerebro del conejo, cuyas neuronas son mucho más grandes. Pero, como las neuronas del conejo tienen una mayor densidad de canales iónicos, la densidad de canales en un volumen determinado de tejido es la misma en ambas especies, así como en cualquiera de las especies no humanas analizadas por los investigadores.
«Este plan de construcción es coherente en nueve especies distintas de mamíferos», afirma Harnett. «Parece que la corteza intenta mantener igual el número de canales iónicos por unidad de volumen en todas las especies. Esto significa que, para un volumen determinado de corteza, el costo energético es el mismo, al menos en lo que respecta a los canales iónicos».
Eficiencia energética
Sin embargo, el cerebro humano se aparta notablemente de este plan de construcción. En lugar de un aumento de la densidad de canales iónicos, los investigadores encontraron una marcada disminución respecto de la densidad esperada de canales iónicos en un volumen determinado de tejido cerebral.
Los investigadores creen que esta menor densidad pudo haber evolucionado como una forma de gastar menos energía en bombear iones, lo que permite al cerebro utilizarla para otras funciones, como crear conexiones sinápticas más complejas entre neuronas o emitir potenciales de acción con mayor frecuencia.
«Creemos que los humanos han evolucionado más allá de este plan de construcción, que antes limitaba el tamaño de la corteza, y han encontrado una forma de ser más eficientes energéticamente, de modo que se consume menos ATP por volumen que en otras especies», afirma Harnett.
Ahora espera estudiar adónde podría ir esa energía adicional y si existen mutaciones genéticas específicas que ayudan a las neuronas de la corteza humana a alcanzar esta alta eficiencia. A los investigadores también les interesa explorar si las especies de primates más estrechamente emparentadas con los humanos muestran disminuciones similares en la densidad de canales iónicos.
La investigación recibió financiación del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, una beca Friends of the McGovern Institute, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, el Programa de Becas Paul and Daisy Soros, el Programa de Becas David Mahoney para Neuroimagen de la Fundación Dana, los Institutos Nacionales de Salud, el Programa Conjunto de Becas de Investigación en Neurociencia Básica de Harvard y el MIT, y Susan Haar.
Entre los demás autores del artículo figuran Norma Brown, asociada técnica del MIT; Marissa Hansen, exbecaria posbaccalaureato; Enrique Toloza, estudiante de posgrado del MIT y la Facultad de Medicina de Harvard; Jitendra Sharma, investigador científico del MIT; Ziv Williams, profesor asociado de neurocirugía en la Facultad de Medicina de Harvard; Matthew Frosch, profesor asociado de patología y de ciencias y tecnología de la salud en la Facultad de Medicina de Harvard; Garth Rees Cosgrove, director de epilepsia y neurocirugía funcional del Brigham and Women’s Hospital; y Sydney Cash, profesor adjunto de neurología en la Facultad de Medicina de Harvard y el Massachusetts General Hospital.
