Un nuevo marco que describe la formación y el desarrollo de espinas dendríticas relacionadas con el aprendizaje

Se sabe que el aprendizaje promueve la creación de nuevas conexiones en el cerebro, en particular las sinapsis excitatorias, sinapsis que aumentan la probabilidad de que se active el potencial de acción en las neuronas. Los potenciales de acción son cambios en el potencial eléctrico que están vinculados al paso de impulsos en las membranas de las células musculares o nerviosas.

Los estudios de neurociencia demostraron que el aprendizaje finalmente conduce a la formación de nuevas espinas dendríticas, pequeñas protuberancias que emergen de las dendritas de una neurona (es decir, extensiones de células complejas con forma de rama). Si bien este hallazgo está ampliamente documentado, las funciones de estas espinas dendríticas relacionadas con el aprendizaje recién formadas aún no se conocen bien.

Investigadores de la Universidad de California en San Diego han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga en mayor profundidad cómo el aprendizaje afecta la génesis y el desarrollo de las espinas dendríticas. Sus hallazgos, publicados en Neurociencia de la naturalezasugieren que la formación de nuevas espinas durante el aprendizaje podría estar guiada por la potenciación de algunas espinas preexistentes funcionalmente divididas.

«Sabemos desde hace mucho tiempo que, cuando un animal aprende, se forman nuevas conexiones, o sinapsis, entre las neuronas del cerebro», dijo a MedicalXpress Nathan G. Hedrick, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. «Pero, ¿cómo ‘saben’ las neuronas las conexiones apropiadas que se deben hacer? ¿Y cómo ocurren estos cambios sin simplemente ‘confundir’ a una neurona, que ya tiene miles de tales sinapsis?».

Hedrick y sus colegas se propusieron comprender mejor las formas en que las neuronas del cerebro utilizan las sinapsis para aprender. Muchos estudios anteriores que examinaron las sinapsis individuales en el cerebro de animales vivos mostraron que las neuronas en el cerebro tienden a organizar información similar en «grupos», que se encuentran a lo largo de sus dendritas similares a ramas.

Estas observaciones sugieren que puede ocurrir algún «agrupamiento activo» de información a nivel de una sola neurona. En su artículo, los investigadores investigaron más a fondo esta hipótesis.

«Razonamos que las nuevas sinapsis formadas durante el aprendizaje podrían seguir las reglas de agrupación de sus neuronas progenitoras, pero también sabíamos que explicar cómo se lleva a cabo esa organización sería un camino muy difícil», explicó Hedrick. «Además del desafío técnico de encontrar las mismas sinapsis individuales en el cerebro de un animal vivo que se comporta durante muchos días mientras aprende, comprender cómo ocurrieron estos cambios requeriría la fusión de varios enfoques innovadores (y desafiantes)».

En sus experimentos, Hedrick se propuso comprender mejor cómo las neuronas organizan las miles de entradas que reciben del entorno y cómo evoluciona este arreglo durante el aprendizaje. Esto podría mejorar significativamente nuestra comprensión actual del cerebro humano y animal.

Para identificar la función de las nuevas sinapsis relacionadas con el aprendizaje con un buen grado de confianza, los investigadores tuvieron que utilizar técnicas que les permitieran visualizar tanto las sinapsis individuales como su actividad a lo largo del tiempo. Además, requirieron métodos para determinar cómo la actividad de las sinapsis se relaciona con un comportamiento aprendido específico.

«Logramos esto utilizando imágenes longitudinales de 2 fotones del biosensor de glutamato fluorescente, iGluSnFR, en ratones a medida que aprenden», explicó Hedrick. «En resumen, este enfoque nos permite ver neuronas fluorescentes en el cerebro de un animal despierto (un ratón) y rastrear la actividad sináptica en función del brillo de la señal iGluSnFR (que refleja aumentos en la liberación de glutamato cuando las sinapsis están activas) como un animal se comporta y aprende».

Para comprender cómo las neuronas «buscan» la información adecuada durante el aprendizaje, Hedrick y sus colegas utilizaron una técnica llamada microscopía electrónica correlacionada (CLEM) para recopilar mediciones celulares relacionadas. Usaron esta técnica en las mismas dendritas que habían rastreado previamente mientras sus ratones de muestra estaban aprendiendo.

En última instancia, este proceso les permitió acceder a información que no podían derivar únicamente de los datos que recopilaron utilizando imágenes de 2 fotones. Esto incluye visualizaciones de estructuras diminutas, conocidas como filopodios, que son esencialmente «intentos» de neuronas para formar nuevas sinapsis.

«Este enfoque también nos permitió acceder a información sobre las entradas a las sinapsis; en otras palabras, qué tipo de conexiones hacen», dijo Hedrick. «Con el conjunto de estas tecnologías, demostramos que las nuevas sinapsis se ajustan a la organización funcional de las sinapsis ya presentes en una neurona a través de un juego de prueba y error celular: cuando la neurona detecta un grupo sincronizado, localmente toma muestras de otras entradas cercanas hasta que encuentra uno que también está sincronizado y se deshace de cualquier sinapsis nueva que no cumpla con estos requisitos».

Los hallazgos recopilados por este equipo de investigadores podrían tener numerosas implicaciones importantes. En primer lugar, muestran que las neuronas son muy hábiles para organizar sus propias conexiones.

En su artículo, Hedrick y sus colegas describieron un nuevo mecanismo biológicamente factible que podría permitir que las células cerebrales busquen información que complemente las señales que ya están recibiendo del medio ambiente. Este mecanismo puede ser una parte crucial de la capacidad ampliamente documentada de los circuitos neuronales para cambiar de manera coordinada mientras los animales y los humanos están aprendiendo.

«Nuestros hallazgos son aún más increíbles si consideramos que todos los eventos descritos en este artículo probablemente ocurran en un dominio muy pequeño de una sola neurona, lo que sugiere que las neuronas deben tener una forma de diferenciar los eventos que ocurren en un lugar de sus dendritas frente a otro. —dijo Hedrick—. «Esto es consistente con mi trabajo de doctorado, que mostró un control muy específico y con patrones espaciales de los factores bioquímicos involucrados en la inducción de cambios estructurales en las sinapsis».

Los hallazgos de los investigadores son, por lo tanto, consistentes con las hipótesis anteriores sobre los requisitos moleculares del patrón sináptico y proporcionan un objetivo más específico para comprender qué sucede cuando cualquiera de los genes que codifican estos patrones muta. En sus experimentos, Hedrick y sus colegas también pudieron identificar los axones (es decir, porciones alargadas de una neurona que se asemejan a «cables» a través de los cuales viajan los impulsos) que forman nuevas sinapsis durante el aprendizaje.

«Nuestra hipótesis inicial era que las nuevas sinapsis probablemente se conectarían a los mismos axones que algunos de sus vecinos, lo que básicamente garantizaría la actividad sincronizada que estaban buscando», dijo Hedrick. «Esta fue la hipótesis más fácil de tragar, ya que era un poco difícil imaginar que las entradas separadas pero sincronizadas fueran lo suficientemente abundantes como para estar siempre al alcance de los filopodios de una dendrita dada».

Si bien Hedrick y sus colegas pudieron encontrar algunos ejemplos de la estructura de «compartir cable» que plantearon como hipótesis en sus datos, rara vez observaron una organización similar para las nuevas sinapsis. En cambio, encontraron que los axones de las sinapsis recién formadas casi nunca parecían conectarse con nada más en la misma dendrita.

«Este es un resultado sorprendente, ya que sugiere que la actividad sincronizada localmente que muestran las nuevas sinapsis probablemente corresponde a neuronas aguas arriba separadas, pero no obstante sincronizadas», dijo Hedrick. «Esencialmente, creemos que las nuevas sinapsis realmente unen flujos de información separados en dendritas individuales».

Como se sabe que la función de las neuronas individuales está relacionada con la forma en que se vincula su información sináptica, los resultados recopilados por este equipo de investigadores podrían allanar el camino hacia una mejor comprensión de cómo las neuronas optimizan su comportamiento relacionado con la función durante el aprendizaje. En sus próximos trabajos, Hedrick y sus colegas esperan identificar las áreas del cerebro desde donde se originan los axones asociados con nuevas sinapsis. Esto arrojaría más luz sobre sus funciones únicas.

«Por ejemplo, si estas nuevas conexiones sinápticas se originan en un área sensorial, mientras que sus vecinos agrupados y sincronizados provienen de regiones de planificación motora, esto podría sugerir que la información sensorial se mezcla con información sobre planes de movimiento para guiar el aprendizaje», agregó Hedrick. «Este es uno de los muchos resultados posibles, todos los cuales proporcionarán información crítica sobre los conceptos básicos del procesamiento de la información en el cerebro y cómo dicho procesamiento puede cambiar de manera flexible en el cerebro que aprende».

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