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(KTSDESIGN/Science Photo Library/Getty Images) |
Potenciales de acción dendríticos y computación en neuronas corticales humanas de capa 2/3
Los científicos han descubierto una forma única de mensajería celular en el cerebro humano que no se había visto antes. El descubrimiento es emocionante, ya que sugiere que nuestros cerebros podrían ser unidades de computación aún más potentes de lo que creíamos.
A principios del año pasado, investigadores de institutos de Alemania y Grecia informaron de un mecanismo en las células corticales externas del cerebro que produce una nueva señal "graduada" por sí misma, que podría proporcionar a las neuronas individuales otra forma de llevar a cabo sus funciones lógicas.
Al medir la actividad eléctrica en secciones de tejido extraídas durante la cirugía de pacientes epilépticos y analizar su estructura mediante microscopía fluorescente, los neurólogos descubrieron que las células individuales de la corteza no sólo utilizaban los iones de sodio habituales para "disparar", sino también el calcio.
Esta combinación de iones con carga positiva desencadenaba ondas de voltaje que nunca antes se habían visto, denominadas potenciales de acción dendríticos mediados por calcio, o dCaAP.
Los cerebros -especialmente los de la variedad humana- se comparan a menudo con los ordenadores. La analogía tiene sus límites, pero en algunos niveles realizan tareas de forma similar.
Ambos utilizan la energía de un voltaje eléctrico para realizar diversas operaciones. En los ordenadores, se trata de un flujo de electrones bastante simple a través de unas intersecciones llamadas transistores.
En las neuronas, la señal adopta la forma de una onda de apertura y cierre de canales que intercambian partículas cargadas, como el sodio, el cloro y el potasio. Este pulso de iones que fluyen se llama potencial de acción.
En lugar de transistores, las neuronas gestionan estos mensajes químicamente en el extremo de unas ramificaciones llamadas dendritas.
"Las dendritas son fundamentales para entender el cerebro porque están en el centro de lo que determina el poder computacional de las neuronas individuales", dijo el neurocientífico de la Universidad Humboldt Matthew Larkum a Walter Beckwith en la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia en enero de 2020.
Las dendritas son los semáforos de nuestro sistema nervioso. Si un potencial de acción es lo suficientemente importante, puede pasar a otros nervios, que pueden bloquear o transmitir el mensaje.
Esta es la base lógica de nuestro cerebro: ondas de voltaje que pueden comunicarse colectivamente de dos formas: un mensaje AND (si x e y se activan, el mensaje se transmite); o un mensaje OR (si x o y se activan, el mensaje se transmite).
Podría decirse que en ningún lugar es esto más complejo que en la densa y arrugada sección exterior del sistema nervioso central humano: la corteza cerebral. Las capas segunda y tercera, más profundas, son especialmente gruesas y están repletas de ramas que llevan a cabo funciones de alto orden que asociamos con la sensación, el pensamiento y el control motor.
Los investigadores examinaron de cerca los tejidos de estas capas y conectaron las células a un dispositivo llamado pinza de parche somatodendrítico para enviar potenciales activos hacia arriba y abajo de cada neurona, registrando sus señales.
Hubo un momento "eureka" cuando vimos los potenciales de acción dendríticos por primera vez", dijo Larkum.
Para asegurarse de que los descubrimientos no eran exclusivos de las personas con epilepsia, volvieron a comprobar sus resultados en un puñado de muestras tomadas de tumores cerebrales.
Aunque el equipo había realizado experimentos similares en ratas, los tipos de señales que observaron zumbando en las células humanas eran muy diferentes.
Y lo que es más importante, cuando dosificaron las células con un bloqueador del canal de sodio llamado tetrodotoxina, siguieron encontrando una señal. Sólo al bloquear el calcio todo quedó en silencio.
Encontrar un potencial de acción mediado por el calcio es bastante interesante. Pero la modelización del funcionamiento de este nuevo tipo de señal sensible en el córtex reveló una sorpresa.
Además de las funciones lógicas de tipo AND y OR, estas neuronas individuales podían actuar como intersecciones "exclusivas" de tipo OR (XOR), que sólo permiten una señal cuando otra señal se califica de una manera determinada.
"Tradicionalmente, se ha pensado que la operación XOR requiere una solución de red", escriben los investigadores.
Hay que seguir trabajando para ver cómo se comportan los dCaAP en neuronas enteras y en un sistema vivo. Por no hablar de si se trata de algo humano o de si han evolucionado mecanismos similares en otras partes del reino animal.
La tecnología también busca inspiración en nuestro propio sistema nervioso para desarrollar un mejor hardware; saber que nuestras propias células individuales tienen algunos trucos más bajo la manga podría conducir a nuevas formas de conectar los transistores en red.
Cómo se traduce exactamente esta nueva herramienta lógica exprimida en una sola célula nerviosa en funciones superiores es una pregunta que deberán responder los futuros investigadores.
Fuentes y referencias:
Esta investigación se publicó en Science.
Una versión de este artículo se publicó originalmente en enero de 2020.