Los neurocientíficos del MIT ahora pueden registrar la actividad eléctrica de las dendritas de las neuronas humanas. Crédito: Lou Beaulieu-Laroche y Mark Harnett.
19 de Octubre de 2018 | Comunicado de prensa original del MIT
Las neuronas cerebrales humanas reciben señales eléctricas de miles de otras células, y las largas extensiones neuronales llamadas dendritas juegan un papel crítico en la incorporación de toda esa información para que las células puedan responder adecuadamente.
Utilizando muestras difíciles de obtener de tejido cerebral humano, los neurocientíficos del MIT han descubierto recientemente que las dendritas humanas tienen propiedades eléctricas diferentes que las de otras especies. Sus estudios revelan que las señales eléctricas se debilitan a medida que fluyen a lo largo de las dendritas humanas, lo que resulta en un mayor grado de compartimentación eléctrica, provocando que pequeñas secciones de dendritas puedan comportarse independientemente del resto de la neurona. Estas diferencias pueden contribuir a mejorar la potencia computacional del cerebro humano, dicen los investigadores.
"No es que los humanos somos inteligentes sólo porque tenemos más neuronas y una corteza cerebral más grande. A lo largo de su trayectoria, las neuronas se comportan de manera diferente", remarca Mark Harnett, profesor asistente del departamento de Ciencias Cognitivas y del Cerebro. "En las neuronas humanas, hay más compartimentación eléctrica, lo que permite que estas unidades sean un poco más independientes, lo que potencialmente conduce a una mayor capacidad computacional de las neuronas individuales".
Harnett, que también es miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT y Sydney Cash, profesora adjunta de Neurología en la Facultad de Medicina de Harvard y del Hospital General de Massachusetts (MGH), son los principales autores del estudio, que aparece en la edición del journal Cell del 18 de octubre. El autor principal del artículo es Lou Beaulieu-Laroche, un estudiante graduado en el Departamento del Cerebro y de las Ciencias cognoscitivas del MIT.
Cálculo Neuronal
Las dendritas pueden ser consideradas como análogas a los transistores en una computadora, éstas realizan operaciones simples usando las señales eléctricas. Las dendritas reciben la entrada de muchas otras neuronas y llevan esas señales al soma de la célula. Si una neurona se estimula lo suficiente, dispara un potencial de acción —un impulso eléctrico que luego estimula a otras neuronas. Grandes redes de estas neuronas se comunican entre sí para generar pensamientos y comportamientos.
La estructura de una neurona a menudo se asemeja a un árbol, con muchas ramas que reciben información desde sitios lejanos del soma celular. Investigaciones previas han encontrado que la fuerza de las señales eléctricas que llegan al cuerpo de la célula depende, en parte, de cuan lejos viajan a lo largo de la dendrita para llegar allí. A medida que las señales se propagan, se vuelven más débiles, por lo que una señal que llega lejos del cuerpo celular tiene menos impacto que una más cercana.
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Las dendritas en la corteza cerebral humana son mucho más largas que las de las ratas y que la de la mayoría de las otras especies de mamíferos, porque la corteza humana ha evolucionado hasta ser mucho más gruesa que la de otras especies. En los seres humanos, la corteza constituye alrededor del 75% del volumen total del cerebro, en comparación con el 30% del cerebro de rata.
Aunque la corteza humana es dos a tres veces más gruesa que la de las ratas, mantiene la misma organización, que consiste de seis capas neuronales distintivas. Las de la 5ta capa, tienen dendritas con la longitud suficiente como para alcanzar la 1ra capa, lo que significa que las dendritas humanas han tenido que alargarse a medida que evolucionaba el cerebro humano y las señales eléctricas tienen que viajar mucho más lejos.
En el nuevo estudio, el equipo del MIT quería investigar cómo estas diferencias de longitud podrían afectar las propiedades eléctricas de las dendritas. Así lograron comparar la actividad eléctrica en dendritas de rata y humanas, en este último caso emplearon pequeñas biopsias de tejido cerebral de pacientes epilépticos extirpados quirúrgicamente de la región del lóbulo temporal. Para llegar a la parte patológica del cerebro, los cirujanos deben extraer una pequeña porción del lóbulo temporal anterior.
Sydney Cash, con la ayuda de sus colaboradores del MGH: Matthew Frosch, Ziv Williams y Emad Eskandar, el laboratorio de Harnett fue capaz de obtener muestras del lóbulo temporal anterior, del tamaño de una uña.
“La evidencia sugiere que el lóbulo temporal anterior no está afectado por la epilepsia, y el tejido posee una apariencia normal cuando es examinado con técnicas neuropatológicas”, sostiene Harnett. Esta parte del cerebro parece estar involucrada en una variedad de funciones, incluyendo el lenguaje y el procesamiento visual, pero no es crítico para ninguna función y los pacientes pueden funcionar normalmente después de su remoción.
Una vez extirpado el tejido, los investigadores lo colocaron en una solución muy parecida al líquido cefalorraquídeo, con flujo de oxígeno. Esto les permitió mantener el tejido vivo hasta 48 horas. Durante ese tiempo, usaron una técnica conocida como electrofisiología patch-clamp para medir cómo las señales eléctricas viajan a lo largo de las dendritas de las neuronas piramidales, que son el tipo más común de neuronas excitadoras en la corteza.
Estos experimentos fueron realizados principalmente por Beaulieu-Laroche. El laboratorio de Harnett (y colaboradores) han realizado anteriormente este tipo de experimentos en las dendritas de roedores, pero su equipo es el primero en analizar las propiedades eléctricas de las dendritas humanas.
Características únicas
Los investigadores encontraron que debido a que las dendritas humanas cubren distancias más largas, una señal que fluye a lo largo de una dendrita humana de la 1ra capa al soma de una célula en la 5ta capa, es mucho más débil que la de una dendrita de rata de igual recorrido.
También mostraron que las dendritas humanas y de rata tienen el mismo número de canales iónicos, que regulan el flujo de corriente, pero como resultado del alargamiento de las dendritas humanas su densidad resulta menor que la de las ratas. También desarrollaron un modelo biofísico detallado que muestra que “este cambio de densidad puede explicar algunas de las diferencias en la actividad eléctrica que se observa entre las dendritas humanas y de rata”, sostiene Harnett.
Nelson Spruston, Director Senior de programas científicos del Howard Hughes Medical Institute, describió el análisis de las dendritas humanas como "un logro notable".
"Estas son las mediciones más cuidadosamente detalladas logradas a la fecha de las propiedades fisiológicas de las neuronas humanas", dijo Spruston, quien no participó en la investigación. "Este tipo de experimentos son técnicamente muy exigentes, incluso en ratones y ratas, así que desde una perspectiva técnica, es bastante asombroso que lo hayan logrado en humanos.”
La pregunta sigue siendo, ¿Cómo afectan estas diferencias al poder intelectual humano? La hipótesis de Harnett es que debido a estas diferencias, que permiten que más regiones de una dendrita influyan en la fuerza de una señal entrante, las neuronas individuales pueden realizar cálculos más complejos de la información.
"Si usted tiene una columna cortical que tiene un trozo de corteza cerebral humana o de roedores, la arquitectura humana es capaz de lograr mayor cantidad de cálculos y más rápidamente que la de los roedores", afirmó.
“Hay muchas otras diferencias entre las neuronas humanas y las de otras especies”, añade Harnett, por lo que es difícil revelar los efectos de las propiedades eléctricas dendríticas. En estudios futuros, él espera explorar más lejos el impacto exacto de estas características eléctricas, y cómo interactúan con otras características únicas de neuronas humanas para producir más energía de cómputo.
Este artículo ha sido republicado a partir de materiales provistos por el MIT.
Nota:
Los materiales pueden haber sido editados para ajustar la longitud y contenidos. Por más información, contactarse con la fuente citada.
Referencia:
Beaulieu-Laroche, L., Toloza, E. H. S., Goes, M.-S. van der, Lafourcade, M., Barnagian, D., Williams, Z. M., … Harnett, M. T. (2018). Enhanced Dendritic Compartmentalization in Human Cortical Neurons. Cell, 175(3), 643-651.e14:
