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Identifican neuronas ‘directoras de orquesta’ en las redes funcionales del cerebro

20/02/2020
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Reconstrucción tridimensional de tres sinapsis / Journal of Neuroscience

Empleando técnicas avanzadas de microscopia electrónica tridimensional y marcado de axones individuales, un equipo de investigadores españoles ha conseguido demostrar importantes diferencias en la estructura de las sinapsis formadas por ramas de un mismo axón talámico en dos áreas cerebrales distantes. Los resultados, publicados en Journal of Neuroscience por investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Jülich Research Centre (Alemania), revelan una complejidad insospechada en los circuitos del cerebro.

Cada evento mental o acto motor voluntario es el resultado de la actividad simultánea de grandes grupos de neuronas en varias zonas del cerebro alejadas entre sí. ¿Cómo consiguen estos grupos de células nerviosas coordinar, instantánea y selectivamente, su actividad eléctrica? Un trabajo publicado en el Journal of Neuroscience arroja nueva luz sobre las bases celulares de este proceso.

El estudio, llevado a cabo en ratones, se centró en los axones que conectan el tálamo con la corteza cerebral y sus sinapsis. El tálamo es un grupo de neuronas situado en el centro del cerebro que actúa como un gran nodo de comunicación entre distintas regiones. Los axones de las neuronas del tálamo inervan todas las áreas de la corteza cerebral de modo ordenado y selectivo, formando sinapsis excitadoras mediadas por el neurotransmisor glutamato. Muchos de estos axones se ramifican para inervar selectivamente dos o más áreas de la corteza.

Empleando técnicas avanzadas de microscopia electrónica tridimensional y marcado de axones individuales, los investigadores lograron medir y comparar estructuras de sinapsis formadas por ramas del mismo axón talámico en dos áreas cerebrales distantes.

“Concretamente, el estudio reveló importantes diferencias en la intensidad y la frecuencia con la que las sinapsis pueden transmitir señales, así como en el tipo de células con las que el axón contacta en cada área”, explica el director del trabajo, Francisco Clascá, profesor del Departamento de Anatomía, Histología y Neurociencia de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

“En un estudio publicado el año pasado —agrega el investigador— habíamos demostrado que si bien las señales llegan simultáneamente a las dos áreas, su repetición produce en cada área efectos muy divergentes, ya que en cada área la transmisión está mediada por distintos tipos de moléculas receptoras”.

Ahora, la demostración de que una sola neurona mediante su axón ramificado es capaz de producir simultáneamente efectos distintos en áreas separadas de la corteza cerebral, revela una complejidad insospechada en los circuitos del cerebro.

“Estas células podrían actuar como ‘directores de orquesta’ combinando selectiva y flexiblemente la actividad de distintos grupos neuronales en cada actividad mental o motora —comenta Francisco Clascá—. Conocer mejor estas células es importante para modelizar la computación que realizan las grandes redes neuronales del cerebro y entender sus alteraciones en situaciones patológicas”, concluye el investigador.

El trabajo fue realizado por científicos de la UAM, en colaboración con investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Jülich Research Centre (Alemania), en el marco del proyecto Human Brain Project-European Flagship de la Unión Europea.

Axones y sinapsis

Cada neurona del cerebro tiene una larga y finísima prolongación celular ramificada llamada axón, mediante la cual envía señales eléctricas a miles de otras neuronas.

Pese a tener un calibre 200 veces menor que un cabello humano, un axón puede medir más de un metro de longitud y ramificarse selectivamente para alcanzar varios puntos del cerebro, incluso la médula espinal. A través de su axón, neuronas situadas en zonas del cerebro distantes entre sí consiguen establecer contacto directo.

En los puntos de contacto, las señales pasan de una neurona a otra a través de estructuras especializadas (sinapsis), y de mecanismos electroquímicos mediados por distintas sustancias (neurotransmisores). La propagación de señales a través de las sinapsis produce efectos simultáneos en las neuronas que reciben contactos del mismo axón. Desde el punto de vista funcional, las sinapsis son filtros de señales de amplitud y perfil temporal variable, cuya valencia puede ser distinta (excitación/inhibición).

 

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Referencia bibliográfica:

Javier Rodriguez-Moreno, Cesar Porrero, Astrid Rollenhagen, Mario Rubio-Teves, Diana Casas-Torremocha, Lidia Alonso-Nanclares, Rachida Yakoubi, Andrea Santuy, Angel Merchan-Pérez, Javier DeFelipe, Joachim HR Lübke and Francisco Clasca. “Area-specific synapse structure in branched posterior nucleus axons reveals a new level of complexity in thalamocortical networks”, Journal of Neuroscience, 2886-19. DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2886-19.2020


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