Nuestro cerebro es famosamente flexible, o “plástico”, porque las neuronas pueden hacer cosas nuevas formando conexiones nuevas o más fuertes con otras neuronas. Pero si algunas conexiones se fortalecen, los neurocientíficos han razonado que las neuronas deben compensarlo para no verse abrumadas por la información recibida. En un nuevo estudio publicado en Science, investigadores del Instituto Picower de Aprendizaje y Memoria del MIT demuestran por primera vez cómo se alcanza este equilibrio: cuando una conexión, llamada sinapsis, se fortalece, las sinapsis inmediatamente vecinas se debilitan por la acción de una proteína crucial llamada Arc.
El autor principal, Mriganka Sur, afirmó que estaba entusiasmado, pero no sorprendido, de que su equipo haya descubierto una regla sencilla y fundamental en el núcleo de un sistema tan complejo como el cerebro, donde 100 000 millones de neuronas tienen cada una miles de sinapsis en constante cambio. Lo compara con la forma en que un enorme banco de peces puede cambiar de dirección de repente, en masa, siempre que el pez líder gire y todos los demás peces obedezcan la regla sencilla de seguir al pez que tienen justo delante.
“Los comportamientos colectivos de los sistemas complejos siempre tienen reglas sencillas”, afirma Sur, catedrático Paul E. and Lilah Newton de Neurociencia en el Instituto Picower y en el Departamento de Ciencias del Cerebro y Cognitivas del MIT. “Cuando una sinapsis aumenta, en un radio de 50 micrómetros se produce una disminución de la fuerza de otras sinapsis mediante un mecanismo molecular bien definido.”
Según afirmó, este hallazgo explica cómo el fortalecimiento y el debilitamiento sinápticos se combinan en las neuronas para producir plasticidad.
Múltiples manipulaciones
Aunque la regla que descubrieron era sencilla, los experimentos que la revelaron no lo eran. Mientras trabajaban para activar la plasticidad en la corteza visual de ratones y después seguir cómo cambiaban las sinapsis para lograrlo, los autores principales Sami El-Boustani y Jacque Pak Kan Ip, posdoctorandos en el laboratorio de Sur, lograron varias primicias.
En un experimento clave, provocaron la plasticidad cambiando el “campo receptivo” de una neurona, es decir, la zona del campo visual a la que responde. Las neuronas reciben información a través de sinapsis en pequeñas espinas de sus dendritas, que tienen forma de ramas. Para cambiar el campo receptivo de una neurona, los científicos localizaron con precisión la espina exacta de la dendrita pertinente de la neurona y luego monitorizaron de cerca los cambios en sus sinapsis mientras mostraban al ratón un objetivo en un lugar concreto de una pantalla, distinto del campo receptivo original de la neurona. Cada vez que el objetivo se encontraba en la nueva posición del campo receptivo que querían inducir, reforzaban la respuesta de la neurona encendiendo un destello de luz azul dentro de la corteza visual del ratón, lo que generaba actividad adicional, tal como podría hacerlo otra neurona. La neurona había sido modificada genéticamente para activarse con destellos de luz, una técnica llamada “optogenética”.
Los investigadores repitieron esto una y otra vez. Como la estimulación lumínica se correlacionaba con cada aparición del objetivo en la nueva posición del campo visual del ratón, esto hizo que la neurona fortaleciera una sinapsis concreta en la espina, codificando el nuevo campo receptivo.
“Creo que es bastante asombroso que podamos reprogramar neuronas individuales en el cerebro intacto y observar en el tejido vivo la diversidad de mecanismos moleculares que permite a estas células integrar nuevas funciones mediante la plasticidad sináptica”, afirma El-Boustani.
A medida que crecía la sinapsis del nuevo campo receptivo, los investigadores pudieron observar con el microscopio de dos fotones que las sinapsis cercanas también se reducían. No observaron estos cambios en neuronas de control experimentales que carecían de estimulación optogenética.
Pero luego fueron más allá para confirmar sus hallazgos. Como las sinapsis son tan diminutas, se encuentran cerca del límite de resolución de la microscopía óptica. Así que, tras los experimentos, el equipo diseccionó los tejidos cerebrales que contenían las dendritas de las neuronas manipuladas y de control, y los envió a coautores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, en Suiza. Allí realizaron una microscopía electrónica tridimensional especializada, de mayor resolución, que confirmó que las diferencias estructurales observadas con el microscopio de dos fotones eran válidas.
“Esta es la dendrita más larga que se ha reconstruido jamás después de haber sido captada in vivo”, afirmó Sur, quien también dirige el Centro Simons para el Cerebro Social del MIT.
Por supuesto, reprogramar una neurona de un ratón modificada genéticamente con destellos de luz es una manipulación poco natural, así que el equipo realizó otro experimento de “privación monocular”, más clásico, en el que cerraron temporalmente un ojo de un ratón. Cuando eso ocurre, las sinapsis de las neuronas relacionadas con el ojo cerrado se debilitan y las relacionadas con el ojo aún abierto se fortalecen. Luego, cuando volvieron a abrir el ojo cerrado previamente, las sinapsis se reorganizaron de nuevo. También rastrearon esa acción y observaron que, a medida que las sinapsis se fortalecían, sus vecinas inmediatas se debilitaban para compensar.
Resolviendo el misterio de Arc
Tras observar la nueva regla en funcionamiento, los investigadores seguían deseosos de entender cómo las neuronas la cumplen. Utilizaron una etiqueta química para seguir cómo cambiaban los receptores “AMPA” clave en las sinapsis, y observaron que el agrandamiento y el fortalecimiento sinápticos se correlacionaban con una mayor expresión de receptores AMPA, mientras que la reducción y el debilitamiento se correlacionaban con una menor expresión de receptores AMPA.
La proteína Arc regula la expresión de los receptores AMPA, por lo que el equipo comprendió que debía rastrear Arc para entender plenamente lo que estaba ocurriendo. El problema, según Sur, es que nadie lo había hecho nunca antes en el cerebro de un animal vivo y en comportamiento. Por ello, el equipo se puso en contacto con coautores de la Escuela de Medicina de Posgrado de la Universidad de Kioto y de la Universidad de Tokio, que inventaron una etiqueta química capaz de hacerlo.
Con la etiqueta, el equipo pudo observar que las sinapsis que se fortalecían estaban rodeadas de sinapsis debilitadas con una mayor expresión de Arc. Las sinapsis con una cantidad reducida de Arc podían expresar más receptores AMPA, mientras que un aumento de Arc en las espinas vecinas hacía que esas sinapsis expresaran menos receptores AMPA.
“Creemos que Arc mantiene un equilibrio de los recursos sinápticos”, afirma Ip. “Si algo sube, algo debe bajar. Ese es el papel principal de Arc.”
Según Sur, el estudio resuelve, por tanto, un misterio de Arc: hasta ahora nadie había entendido por qué Arc parecía estar sobrerregulado en las dendritas que sufren plasticidad sináptica, aunque actúa debilitando las sinapsis; ahora, sin embargo, la respuesta está clara. Las sinapsis que se fortalecen aumentan Arc para debilitar a sus vecinas.
Sur añadió que la regla ayuda a explicar cómo podrían funcionar el aprendizaje y la memoria a nivel de neurona individual, porque muestra cómo una neurona se ajusta a la simulación repetida de otra.
Ania Majewska, profesora asociada de neurociencia en el Centro de Ciencia Visual de la Universidad de Rochester, afirma que los métodos avanzados del estudio permitieron al equipo lograr un conjunto importante de nuevos resultados.
“Debido a la dificultad de monitorizar y manipular las sinapsis, diminutas y numerosas, que conectan las neuronas, la mayoría de los estudios se han llevado a cabo en preparaciones reducidas con estímulos artificiales, lo que hace poco claro cómo se implementan realmente los mecanismos identificados en los complejos circuitos que funcionan dentro de un cerebro que reacciona a su entorno”, afirma Majewska. “Este nuevo estudio del laboratorio de Sur tiene un gran impacto porque combina herramientas de imagen y genéticas de vanguardia para monitorizar con precisión la función de sinapsis individuales dentro de un cerebro que responde a estímulos relevantes para el comportamiento que provocan cambios en las respuestas neuronales.
“Dados los resultados de esta proeza metodológica, ahora podemos afirmar que, en el cerebro intacto, las sinapsis que se encuentran muy próximas entre sí interactúan durante los cambios en la función de los circuitos mediante un mecanismo que implica una cascada molecular en la que Arc desempeña un papel crucial”, afirmó. “Esta información nos permite comprender no solo cómo se desarrollan y remodelan los circuitos neuronales en un entorno fisiológico, sino que también aporta pistas que serán importantes para identificar cómo estos procesos fallan en diversas enfermedades neurológicas.”
Además de Sur, El-Boustani e Ip, los demás autores del artículo son Vincent Breton-Provencher, Ghraham Knott, Hiroyuki Okuno y Haruhiko Bito.
La investigación fue financiada por el Fondo de Innovación del Instituto Picower, el Centro Simons para el Cerebro Social, una beca postdoctoral Marie Curie, una beca de larga duración del Programa de Ciencia de Fronteras Humanas, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencia y KAKENHI.
