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En Cierta Ciencia, de la mano de la genetista Josefina Cano nos acercamos, cada quince días, al trabajo de muchos investigadores que están poniendo todo su empeño en desenredar la madeja de esa complejidad que nos ha convertido en los únicos animales que pueden y deben manejar a la naturaleza para beneficio mutuo. Hablamos de historias de la biología.

La vida secreta de las neuronas

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Un nuevo estudio realizado en la Universidad de California, podría cambiar la visión de los científicos de cómo trabaja el cerebro y podría a su vez llevar a una mejor forma de desarrollar nuevos tratamientos de las enfermedades neurodegenerativas y a mejorar el desarrollo de computadores que se acerquen un poco más a tener un funcionamiento más parecido al de cómo trabaja el cerebro humano.

La investigación estuvo enfocada en el estudio de la estructura y la función de las dendritas, componentes esenciales de las neuronas. Las neuronas, esas células del cerebro, con su famosa figura de estrellas, o de ramas de un árbol, están formadas por un cuerpo central o soma y las numerosas ramificaciones llamadas dendritas, que se extienden en todas las direcciones. El soma genera impulsos eléctricos breves, conocidos como pulsaciones o picos o potenciales de acción que sirven para establecer conexiones y comunicación con otros somas. Los científicos pensaban que esos impulsos activaban las dendritas, quienes y de manera pasiva enviaban la corriente a los somas de otras neuronas. Este proceso constituye la base de cómo trabaja la memoria, formando y almacenando información.

Pero el equipo de la Universidad de California ha descubierto que las dendritas no son tan solo conductoras pasivas. Su investigación demuestra que las dendritas están activas eléctricamente en animales que se están moviendo de continuo, generando hasta 10 veces más impulsos que los somas. Este hallazgo desafía la creencia general de que los impulsos eléctricos generados en el cuerpo central de las neuronas eran la fuente principal para el poner en marcha los mecanismos cerebrales que permiten la percepción, el aprendizaje y la formación de la memoria.

“Las dendritas son un poco más del 90% del tejido neuronal”, dice el neurocientífico Mayank Mehta, profesor de física y astronomía, de neurología y neurobiología, y autor principal del estudio. “El saber que ellas están mucho más activas que el soma cambia de manera fundamental la naturaleza de nuestro entendimiento de cómo el cerebro computa la información. Eso podría pavimentar, solidificar, nuestra comprensión y tratamiento de los desórdenes neurológicos y el desarrollo de computadores similares al cerebro”.

Los científicos, en general, pensaban que las dendritas, de una manera pasiva, transmitían la corriente producida por el encuentro de dos neuronas (sinapsis) al soma, el que a su vez generaba un impulso eléctrico. Estas ráfagas eléctricas cortas se consideraban como el corazón de la computación neuronal y del aprendizaje. Pero este nuevo estudio demuestra que las dendritas producen sus propios impulsos eléctricos y lo hacen 10 veces más que los somas.

Los investigadores encontraron también que las dendritas generan fluctuaciones de voltaje largas, además de los impulsos cortos. Los impulsos cortos son binarios, eventos de todo o nada. Los somas generan solo impulsos de todo o nada, similares a como funcionan los computadores digitales. Las dendritas, al producir variaciones de voltaje más largas y lentas es posible que estén ejecutando una computación analógica.

“Encontramos que las dendritas son híbridos que realizan computaciones digitales y análogas, mezclando dos formas de acción”, dice Mehta. “Una creencia fundamental en neurociencia era el de que las neuronas eran unos dispositivos digitales. Dispositivos que o bien generaban un impulso o no. Las dendritas en efecto generan impulsos de todo o nada, pero también realizan fluctuaciones largas de corriente, análogas, que no son de todo o nada. Esto es un apartarse, de una forma drástica, de lo que los neurocientíficos habían dado por cierto durante casi 60 años”.

Debido a que las dendritas son, en volumen, casi 100 veces mayores que los centros de las neuronas, los somas, el inmenso número de impulsos generados por ellas podría significar que el cerebro tiene una capacidad de trabajo 100 veces mayor de la que antes se pensaba.

Estudios recientes en cortes de tejido del cerebro habían mostrado que las dendritas podían generar impulsos eléctricos. Pero no estaba claro si ese comportamiento ocurría durante la actividad normal del cerebro y menos aún si era frecuente. Medir los impulsos eléctricos de las dendritas durante la actividad normal del cerebro siempre ha sido un desafío grande porque ellas son muy delicadas. Por ejemplo, en estudios con ratones de laboratorio, los científicos han descubierto que el poner electrodos dentro de las dendritas termina matándolas. Así, para resolver el problema el equipo de la UCLA, desarrolló una técnica nueva que les permitió colocar los electrodos cerca, en lugar de dentro de las dendritas.

Con la nueva técnica los científicos pudieron medir la actividad de las dendritas en ratones que se movían de forma libre en un gran laberinto y durante 4 días. Cuando tomaron medidas de la corteza parietal posterior, la parte del cerebro que juega un papel crucial en la planeación del movimiento, los investigadores encontraron mayor actividad en las dendritas que en los somas –aproximadamente 5 veces más cuando los animales dormían y 10 veces más cuando andaban por ahí explorando.

“Muchos modelos anteriores asumen que el aprendizaje se da cuando los cuerpos celulares, somas, de dos neuronas están activos al mismo tiempo”, dice Jason Moore, investigador de la UCLA. “Nuestros hallazgos indican que el aprendizaje puede ocurrir cuando la neurona que envía la señal está activa al mismo tiempo que una dendrita está activa, y puede ocurrir que otras dendritas también estén activas, lo que sugiere una mayor flexibilidad en cómo el aprendizaje se da dentro de una única neurona”.

¡Asombroso! Qué más se puede decir de esta posibilidad.

Estudiar el soma de las neuronas para entender cómo trabaja el cerebro ha provisto de un buen marco teórico para poder contestar los interrogantes de los científicos y los médicos del área, para diagnosticar y tratar enfermedades hasta la mejor manera de construir computadores. Pero, dice Mehta, el marco estaba basado tan solo en la comprensión de que el cuerpo de la célula neuronal toma las decisiones y de que el proceso es digital.

“Lo que nosotros hemos encontrado indica que esas decisiones se toman con mucha mayor frecuencia en las dendritas que en el soma, y que las computaciones no son solo digitales sino también analógicas”, dice Mehta. “Como consecuencia de dificultades tecnológicas, la investigación en las funciones del cerebro se ha enfocado en gran medida en el soma neuronal. Pero hemos descubierto la vida secreta de las neuronas, que reside en las extensas ramas neuronales. Nuestros resultados cambian de manera substancial nuestro entendimiento de cómo ellas trabajan”.

Referencia:
Dynamics of cortical dendritic membrane potential and spikes in freely behaving rats.
Jason J. Moore, et al. Science 2017

Más información en el Blog de Josefina Cano: Cierta Ciencia


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