Encuentran en el cerebro un “mini-ordenador” neuronal hasta ahora oculto

Las dendritas‎, unas prolongaciones ramificadas que tienen las neuronas o células nerviosas del cerebro, se han considerado siempre el “cableado pasivo” de este órgano. Hasta ahora, se creía que su función principal era sólo recibir y transmitir los impulsos entre unas neuronas y otras, para que éstas hicieran el trabajo “importante”: el de procesar la información.

Sin embargo, investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de Carolina del Norte (EEUU) han demostrado que las dendritas hacen algo más que transmitir información de una neurona a la siguiente. En realidad, también procesarían información de manera activa, multiplicando la potencia “computacional” del cerebro.

"De repente, es como si la potencia de procesamiento del cerebro fuera mucho mayor de lo que se pensaba en un principio", explica en un comunicado de dicha Universidad Spencer Smith, uno de los autores de la investigación, detallada en Nature.

Los resultados obtenidos podrían cambiar la forma de pensar acerca de los modelos científicos establecidos desde hace tiempo, y acerca del funcionamiento de los circuitos neuronales. También podrían ayudar a los investigadores a comprender mejor los trastornos neurológicos.

"Imagínese que usted está descomponiendo una pieza de tecnología alienígena, y lo que pensaba que era un simple cableado resultan ser transistores que computan información", explica Smith. "Algo similar ha sucedido con este hallazgo. Sus implicaciones son muy interesantes".

“Mini-ordenadores” neuronales

Los axones‎ son partes de las neuronas en los que normalmente se generan picos eléctricos (las señales eléctricas que caracterizan el funcionamiento cerebral); y muchas de esas mismas moléculas se encuentran presentes en las dendritas.

Esto es lo que habían demostrado investigaciones previas con tejido cerebral diseccionado: que las dendritas también podían usar dichas moléculas por sí mismas para generar picos eléctricos. Sin embargo, hasta ahora no había quedado claro si la actividad cerebral corriente implicaba también a esos picos dendríticos. Por ejemplo, ¿podían los picos dendríticos estar implicados en cómo vemos o en lo que olemos?

La respuesta que ha encontrado el equipo de Smith es que sí: que las dendritas actúan eficazmente como “mini-ordenadores” neuronales, pues procesan de manera activa la entrada de señales neuronales.

Para demostrar este punto, los científicos tuvieron que realizar una serie de complejos experimentos que duraron varios años y que se llevaron a cabo en dos continentes. Comenzaron en el University College London, a cargo del científico Michael Hausser; y se completaron en la Universidad de Carolina del Norte, bajo la coordinación de Smith e Ikuko Smith.

Cómo se hizo

Los científicos usaron en concreto una técnica electrofisiológica (llamada electrofisiología patch-clamp) que consiste en aplicar una pipeta microscópica a la membrana celular para medir las corrientes iónicas que tienen lugar a través de los canales iónicos, en el interior de las propias células.

La tecnología se aplicó directamente a una dendrita neuronal del cerebro de un ratón, con el fin de “escuchar” el proceso de señalización eléctrica que acontecía en ésta.

Como es de suponer, esta aplicación resultó un verdadero desafío tecnológico pues “atrapar” la dendrita fue como “tratar de pescar un pez cuando lo único que se puede ver es la traza eléctrica que éste deja a su paso”, explica Smith. Para hacerlo más fácil, el investigador fabricó su propio sistema microscópico de dos fotones.

Todo este esfuerzo ha permitido realizar grabaciones eléctricas de la actividad de las dendritas individuales de los cerebros de ratones anestesiados y despiertos. Lo que descubrieron los científicos fue que, cuando a los ratones se les presentaron estímulos visuales a través de la pantalla de un ordenador, emergió un patrón inusual de señales eléctricas en las dendritas.

A continuación, el equipo de Smith constató que estos picos se produjeron de manera selectiva, dependiendo del estímulo visual, lo que indicó que las dendritas procesan información acerca de lo que el animal está viendo.

Para proporcionar una evidencia visual de su hallazgo, Smith y su equipo rellenaron las neuronas con tinte de calcio, lo que proporcionó una lectura óptica de los picos eléctricos, que reveló que hubo picos en las dendritas mientras que otras partes de las neuronas no se encendieron, es decir, que los picos fueron el resultado de un procesamiento local dentro de las dendritas.

Un modelo biofísico y matemático de las neuronas creado por Tiago Branco, otro de los autores del estudio, reveló por otra parte que mecanismos conocidos podían respaldar el ajuste dendrítico eléctricamente registrado y, por tanto, validar aún más la interpretación de los datos.

Dendritas como unidades computacionales

"Todos los datos apuntan a la misma conclusión", afirma Smith. "Las dendritas no son integradores pasivos de la información sensorial; parecen ser también una unidad computacional."

El equipo planea ahora explorar el papel que puede jugar este recién descubierto funcionamiento de las dendritas en los circuitos del cerebro, y sobre todo en condiciones como el síndrome de Timothy, que afecta directamente a las dendritas.

Referencia bibliográfica:

Spencer L. Smith, Ikuko T. Smith, Tiago Branco, Michael Häusser. Dendritic spikes enhance stimulus selectivity in cortical neurons in vivo. Nature (2013). DOI:10.1038/nature12600.