Nanocolumna trans-sináptica. Fuente: Laboratorio de Blanspied. Fuente: Universidad de Maryland.
Durante más de un siglo, los neurocientíficos han sabido que las neuronas se comunican entre sí a través de los pequeños espacios entre ellos, un proceso conocido como transmisión sináptica (sinapsis son las conexiones entre las neuronas).
La información la llevan de una célula a la otra neurotransmisores tales como el glutamato, la dopamina y la serotonina, que activan los receptores de la neurona receptora para transmitir mensajes excitatorios o inhibitorios.
Pero más allá de este esquema básico, los detalles de cómo se produce este aspecto crucial de la función cerebral han sido difíciles de conocer. Ahora, una nueva investigación realizada por científicos de la Universidad de Maryland (EE.UU.) ha dilucidado primera vez detalles acerca de la arquitectura de este proceso. El artículo se ha publicado en la revista Nature.
Imágenes de una sola molécula
Las sinapsis son máquinas moleculares muy complejas. También son muy pequeñas: sólo unas pocas millonésimas de centímetro de diámetro. Tienen que ser muy pequeñas, ya que tenemos una gran cantidad de ellas; el cerebro tiene alrededor de 100 billones, y cada una es individual y está ajustada con precisión para transmitir señales más o menos fuertes entre las células.
Para visualizar las características a esta escala sub-microscópica, los investigadores recurrieron a una tecnología innovadora conocida como imágenes de una sola molécula, que puede localizar y seguir el movimiento de moléculas de proteínas individuales dentro de los límites de una sola sinapsis, incluso en las células vivas.
Usando este enfoque, los científicos identificaron un patrón inesperado y preciso en el proceso de la neurotransmisión. Para ello, observaron las sinapsis de ratas de laboratorio, que en términos de estructura global son muy similares a las sinapsis humanas.
Según Thomas Blanpied, profesor asociado en el Departamento de Fisiología, y líder del grupo que realizó el trabajo, existía desde hace muchos años una lista de los muchos tipos de moléculas que se encuentran en las sinapsis, pero eso no había servido para comprender cómo estas moléculas encajaban entre sí, o cómo funcionaba estructuralmente el proceso. Con el nuevo método, han conseguido describir la arquitectura.
En el documento, Blanpied describe un aspecto inesperado de esta arquitectura que puede explicar por qué las sinapsis son tan eficientes, pero también susceptibles a la interrupción durante las enfermedades: en cada sinapsis, proteínas clave se organizan de manera muy precisa a lo largo del espacio entre las células.
La información la llevan de una célula a la otra neurotransmisores tales como el glutamato, la dopamina y la serotonina, que activan los receptores de la neurona receptora para transmitir mensajes excitatorios o inhibitorios.
Pero más allá de este esquema básico, los detalles de cómo se produce este aspecto crucial de la función cerebral han sido difíciles de conocer. Ahora, una nueva investigación realizada por científicos de la Universidad de Maryland (EE.UU.) ha dilucidado primera vez detalles acerca de la arquitectura de este proceso. El artículo se ha publicado en la revista Nature.
Imágenes de una sola molécula
Las sinapsis son máquinas moleculares muy complejas. También son muy pequeñas: sólo unas pocas millonésimas de centímetro de diámetro. Tienen que ser muy pequeñas, ya que tenemos una gran cantidad de ellas; el cerebro tiene alrededor de 100 billones, y cada una es individual y está ajustada con precisión para transmitir señales más o menos fuertes entre las células.
Para visualizar las características a esta escala sub-microscópica, los investigadores recurrieron a una tecnología innovadora conocida como imágenes de una sola molécula, que puede localizar y seguir el movimiento de moléculas de proteínas individuales dentro de los límites de una sola sinapsis, incluso en las células vivas.
Usando este enfoque, los científicos identificaron un patrón inesperado y preciso en el proceso de la neurotransmisión. Para ello, observaron las sinapsis de ratas de laboratorio, que en términos de estructura global son muy similares a las sinapsis humanas.
Según Thomas Blanpied, profesor asociado en el Departamento de Fisiología, y líder del grupo que realizó el trabajo, existía desde hace muchos años una lista de los muchos tipos de moléculas que se encuentran en las sinapsis, pero eso no había servido para comprender cómo estas moléculas encajaban entre sí, o cómo funcionaba estructuralmente el proceso. Con el nuevo método, han conseguido describir la arquitectura.
En el documento, Blanpied describe un aspecto inesperado de esta arquitectura que puede explicar por qué las sinapsis son tan eficientes, pero también susceptibles a la interrupción durante las enfermedades: en cada sinapsis, proteínas clave se organizan de manera muy precisa a lo largo del espacio entre las células.
Aplicaciones
"Las neuronas hacen un trabajo mejor de lo que imaginamos situando la liberación de las moléculas neurotransmisoras cerca de sus receptores", dice Blanpied en la nota de prensa de la universidad.
"Las proteínas de dos neuronas diferentes se alinean con una precisión increíble, casi formando una columna que se extiende entre las dos células." Esta proximidad optimiza la potencia de la transmisión, y también sugiere nuevas formas en se puede modificar esta transmisión.
La comprensión de esta arquitectura ayudará a aclarar cómo funciona la comunicación dentro del cerebro, o, en el caso de enfermedad psiquiátrica o neurológica, la forma en que deja de funcionar.
Blanpied también se centra en la actividad de las "moléculas de adhesión", que se extienden de una célula a otra y pueden ser piezas importantes de la "nano-columna." Sospecha que si las moléculas de adhesión no se colocan correctamente en la sinapsis, la arquitectura de la sinapsis se interrumpe, y los neurotransmisores no serán capaces de hacer su trabajo.
El científico plantea la hipótesis de que al menos en algunos trastornos, el problema puede ser que a pesar de que el cerebro tiene la cantidad correcta de neurotransmisores, las sinapsis no transmiten estas moléculas de manera eficiente.
El investigador dice que esta mejora de la comprensión de la arquitectura sináptica podría conducir a una mejor comprensión de enfermedades cerebrales como la depresión, la esquizofrenia y la enfermedad de Alzheimer, y tal vez sugerir nuevas ideas para tratamientos.
El equipo explorará ahora si la arquitectura sináptica cambia en ciertos trastornos: empezarán con una sinapsis en un modelo de ratón con esquizofrenia.
"Las neuronas hacen un trabajo mejor de lo que imaginamos situando la liberación de las moléculas neurotransmisoras cerca de sus receptores", dice Blanpied en la nota de prensa de la universidad.
"Las proteínas de dos neuronas diferentes se alinean con una precisión increíble, casi formando una columna que se extiende entre las dos células." Esta proximidad optimiza la potencia de la transmisión, y también sugiere nuevas formas en se puede modificar esta transmisión.
La comprensión de esta arquitectura ayudará a aclarar cómo funciona la comunicación dentro del cerebro, o, en el caso de enfermedad psiquiátrica o neurológica, la forma en que deja de funcionar.
Blanpied también se centra en la actividad de las "moléculas de adhesión", que se extienden de una célula a otra y pueden ser piezas importantes de la "nano-columna." Sospecha que si las moléculas de adhesión no se colocan correctamente en la sinapsis, la arquitectura de la sinapsis se interrumpe, y los neurotransmisores no serán capaces de hacer su trabajo.
El científico plantea la hipótesis de que al menos en algunos trastornos, el problema puede ser que a pesar de que el cerebro tiene la cantidad correcta de neurotransmisores, las sinapsis no transmiten estas moléculas de manera eficiente.
El investigador dice que esta mejora de la comprensión de la arquitectura sináptica podría conducir a una mejor comprensión de enfermedades cerebrales como la depresión, la esquizofrenia y la enfermedad de Alzheimer, y tal vez sugerir nuevas ideas para tratamientos.
El equipo explorará ahora si la arquitectura sináptica cambia en ciertos trastornos: empezarán con una sinapsis en un modelo de ratón con esquizofrenia.
Referencia bibliográfica:
Ai-Hui Tang, Haiwen Chen, Tuo P. Li, Sarah R. Metzbower, Harold D. MacGillavry, Thomas A. Blanpied: A trans-synaptic nanocolumn aligns neurotransmitter release to receptors. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature19058.
Ai-Hui Tang, Haiwen Chen, Tuo P. Li, Sarah R. Metzbower, Harold D. MacGillavry, Thomas A. Blanpied: A trans-synaptic nanocolumn aligns neurotransmitter release to receptors. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature19058.