Actividad Eléctrica de las Dendritas

Dendritas neuronales

Del griego δένδρον déndron “árbol”, son pequeñas ramificaciones que salen del cuerpo celular : la parte de la neurona en la que se encuentra el núcleo de la célula. Además, por la superficie de las dendritas hay aún otra clase de prolongaciones microscópicas. Se trata de unas pequeñas formaciones llamadas espinas dendríticas. Una parte de este espacio que separa a las neuronas entre sí son los llamados espacios sinápticos, que son los puntos por los que estas células nerviosas se pasan información, mediante unas sustancias llamadas neurotransmisores.

La función de las dendritas en general, y de las espinas dendríticas en particular, es la de hacer de principal toma de contacto de los neurotransmisores que llegan desde fuera. Es decir, que las espinas dendríticas actúan como terminales a las que llegan los estímulos de la otra neurona que manda neurotransmisores a través del espacio sináptico. Gracias a esto es posible que se establezca la transmisión de impulsos nerviosos que permite el funcionamiento no solo del cerebro, sino de todo el sistema nervioso.

Las dendritas son partes de las neuronas que se encuentran repartidas por todo el cuerpo, es decir, tanto en el cerebro y la médula espinal como en aquellas que están en los ganglios, los órganos internos, los músculos, etc.

Por otro lado, el potencial que tiene el cerebro a la hora de adaptarse a las circunstancias (por ejemplo, aprendiendo de la experiencia) también es posible gracias al trabajo de las dendritas. Son estas las que regulan las posibilidades de que dos células nerviosas entren en contacto con más o menos frecuencia, así que deciden la "ruta" que toman los impulsos nerviosos.

Las dendritas son las encargadas de captar las sustancias químicas que salen desde la punta de los axones – extremidades de las células nerviosas – y de hacer que estas señales químicas se transformen o no en impulsos eléctricos, aunque este proceso también se puede iniciar en el cuerpo de la neurona.

Es decir, es en las dendritas y en el cuerpo neuronal donde nacen las señales eléctricas – también llamadas potenciales de acción – que recorren las neuronas y que terminarán en la punta de los axones, haciendo que esta parte de la neurona libere sustancias químicas. Cuando la cantidad adecuada de neurotransmisores llega a las dendritas, se produce la despolarización, que es el proceso que genera impulsos nerviosos.

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La neurociencia, desde hace 60 años, aceptó como verdad que los núcleos generaban breves impulsos eléctricos para conectarse y comunicarse entre sí, y que esos impulsos activaban a las dendritas, que de manera pasiva los transmitían hacia otra neurona.

Muchos modelos anteriores suponían que cuando los núcleos de dos neuronas se activan a la vez se dan la percepción, el aprendizaje y la formación de los recuerdos.

Un descubrimiento cambia radicalmente las concepciones de cómo el cerebro procesa la información y cambia nociones básicas de la neurociencia.

Las dendritas generan su propia actividad eléctrica

Un grupo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), cuyo estudio fue publicado en Science de enero 2018, descubrió que las dendritas, en realidad, podrían generar su propia actividad eléctrica, y con una frecuencia 10 veces mayor a la que se estimaba.

Además, dado que se estima que las dendritas constituyen más del 90% del tejido neuronal, y tienen un volumen 100 veces más grande que los núcleos, esto podría significar que el cerebro humano tiene una capacidad 100 veces mayor que lo que se pensaba.

En un estudio realizado en ratones, los investigadores advirtieron que, si en lugar de implantar electrodos en las dendritas se los ubica cerca de ellas, estas prolongaciones serán 5 veces más activas que el núcleo si el ratón duerme, y 10 veces más activas si está despierto.

Sus hallazgos indican que el aprendizaje puede suceder cuando la neurona receptora está activa junto con una dendrita, y podría ser que diferentes partes de las dendritas estuvieran activas en diferentes momentos, lo cual sugeriría que puede haber mucha más flexibilidad en el proceso de aprendizaje dentro de una misma neurona.

La investigación reveló también que las dendritas son capaces de grandes fluctuaciones en el voltaje de sus impulsos : son binarias o de distintas intensidades. Hallaron que las dendritas son híbridos que hacen procesos tanto análogos como digitales, por lo cual son fundamentalmente distintas de las computadoras puramente digitales pero algo parecidas a las computadoras cuánticas, que son análogas. También esto trastorna las bases de la neurociencia, que daba por sentado que las neuronas eran digitales : o bien generaban un impulso determinado, o bien no lo hacían. Pero no mostraban fluctuaciones analógicas.

Destacaron que comprender que las dendritas son mucho más activas que el núcleo cambia radicalmente las concepciones de cómo el cerebro procesa la información. Puede abrir el camino para entender y tratar desórdenes neurológicos y para desarrollar computadoras similares al cerebro.

Las propiedades eléctricas de las dendritas, factor esencial en la inteligencia humana

Una investigación realizada por neurocientíficos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), publicada en la edición del Journal Cell de octubre 2018, indica que las dendritas humanas tienen propiedades eléctricas diferentes de aquellas de las dendritas de otras especies.

Las neuronas en el cerebro humano reciben señales eléctricas de miles de otras células, y unas extensiones neurales largas llamadas dendritas desempeñan un papel esencial a la hora de incorporar toda esa información para que las células puedan reaccionar de manera apropiada.

Los neurocientíficos del MIT han registrado para su investigación la actividad eléctrica de las dendritas de neuronas humanas.

Usando muestras de tejido de cerebro humano difíciles de conseguir, el análisis revela que las señales eléctricas se debilitan más a medida que fluyen a lo largo de las dendritas humanas, lo que resulta en un mayor grado de compartimentación eléctrica, es decir, que secciones pequeñas de las dendritas pueden comportarse de forma independiente del resto de la neurona.

Los autores del estudio creen que estas diferencias podrían estar relacionadas con la mayor inteligencia humana. Los humanos somos más inteligentes que los demás animales no solo porque tenemos más neuronas y una corteza cerebral mayor, sino también porque nuestras neuronas se comportan de forma diferente a las de los demás animales.

Las dendritas pueden ser consideradas como análogas a los transistores en una computadora, llevando a cabo operaciones sencillas a través de señales eléctricas. Las dendritas reciben señales desde muchas otras neuronas, y transportan esas señales hasta el cuerpo celular. Si una neurona se estimula lo suficiente, dispara un potencial de acción, un impulso eléctrico que después estimula a otras neuronas. Grandes redes de estas neuronas se comunican entre sí para generar pensamientos y el propio comportamiento del sujeto.

La estructura de una neurona a menudo se asemeja a un árbol, con muchas ramas que reciben información desde sitios lejanos del soma celular. Investigaciones previas han encontrado que la fuerza de las señales eléctricas que llegan al cuerpo de la célula depende, en parte, de cuan lejos viajan a lo largo de la dendrita para llegar allí. A medida que las señales se propagan, se vuelven más débiles, por lo que una señal que llega lejos del cuerpo celular tiene menos impacto que una más cercana.

Las dendritas en la corteza cerebral humana son mucho más largas que las de las ratas y que la de la mayoría de las otras especies de mamíferos, porque la corteza humana ha evolucionado hasta ser mucho más gruesa que la de otras especies. En los seres humanos, la corteza constituye alrededor del 75% del volumen total del cerebro, en comparación con el 30% del cerebro de rata.

La corteza humana está organizada en seis capas neuronales distintivas. Las neuronas de la 5ta capa, tienen dendritas con la longitud suficiente como para alcanzar la 1ra capa, lo que significa que las dendritas humanas han tenido que alargarse a medida que evolucionaba el cerebro humano y las señales eléctricas tienen que viajar mucho más lejos.

Usaron una técnica conocida como electrofisiología patch-clamp para medir cómo las señales eléctricas viajan a lo largo de las dendritas de las neuronas piramidales, que son el tipo más común de neuronas excitadoras en la corteza.

Los investigadores encontraron que debido a que las dendritas humanas cubren distancias más largas, una señal que fluye a lo largo de una dendrita humana de la 1ra capa al soma de una célula en la 5ta capa, es mucho más débil que la de una dendrita de rata de igual recorrido. Debido a estas diferencias, que permiten que más regiones de una dendrita influyan en la fuerza de una señal entrante, las neuronas individuales pueden realizar cálculos más complejos de la información.

Hay muchas otras diferencias entre las neuronas humanas y las de otras especies, en estudios futuros, los investigadores esperan explorar más lejos el impacto exacto de estas características eléctricas, y cómo interactúan con otras características únicas de neuronas humanas para producir más energía de cómputo.

Detectan nuevo tipo de comunicación entre neuronas maduras

Una investigación realizada por científicos del Departamento de Farmacobiología del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav), México, publicada en Journal of Neuroscience de noviembre 2020, da cuenta sobre la posibilidad de una sinapsis mixta entre células principales de roedor adulto, es decir que se den a la par la comunicación química y eléctrica entre neuronas.

En 2012, el equipo descubrió que un mínimo porcentaje de células principales del hipocampo registraba actividad eléctrica, una función que se creía solo funcionaba durante los primeros años de vida y después sólo ocurría entre las inter-neuronas o dendritas neuronales, pero pudieron observar que algunas neuronas principales se comunicaban en las sinapsis químicas, con un componente eléctrico precediendo al químico. Las conexiones sí estaban presentes, pero no podían verse funcionando porque no conducían corrientes eléctricas, es decir, porque estaban “apagadas”.

Alteraron el microambiente donde se encontraban las proteínas con la finalidad de abrirlas. Para ello emplearon una sustancia que al acidificar el interior celular produjo la aparición de señales eléctricas entre las neuronas, precediendo las señales químicas.

Hicieron evidente las conexiones eléctricas silentes entre neuronas, y que las proteínas que facilitan la conexión están presentes, pero no conducen la electricidad a menos que se acidifique el medio donde se encuentran, lo que ocurre durante procesos patológicos, como epilepsia o anoxia (falta de oxígeno), entre otros.

El hecho de que se den a la par la comunicación química y eléctrica entre neuronas se traduce en una transmisión de información más efectiva y rápida. Además, el intercambio de información eléctrica es bidireccional, que no ocurre con la comunicación química, lo que significa que pueden formarse nuevos circuitos de flujo de información.

La forma de entender cómo funciona la comunicación neuronal ha cambiado por completo. Antes de este hallazgo, se creía que al tiempo que el sistema nervioso maduraba, la comunicación inicialmente eléctrica entre neuronas, cedía su lugar a un proceso enteramente químico en el adulto.

Estudian las señales eléctricas del cerebro como biomarcadores neurológicos

Científicos de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Argentina, publicaron en NeuroImage de noviembre 2019, los avances de una investigación que busca hacer menos invasivos los tratamientos de trastornos neurológicos.

Los científicos investigaron en algunos patrones de la actividad eléctrica neuronal para saber si podrían funcionar como biomarcadores de trastornos neurológicos, como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia.

El procedimiento consiste en colocar electrodos en el cerebro de un paciente, mediante los cuales se estimula una región específica con el fin de tratar los síntomas. Hasta ahora se viene utilizando lo que se conoce como un sistema de lazo abierto, en el cual la estimulación es aplicada constantemente, sin importar el estado momentáneo del paciente.

Modelo funcional de detección de emociones a través del EEG

Es importante resaltar que cuando se aplica una estimulación eléctrica, en el largo plazo siempre se produce algún tipo de daño en el tejido. Por eso siempre se busca aplicarla el menor tiempo posible, con la menor potencia posible, pero guardando el efecto terapéutico. Este trabajo se propone encontrar el mejor momento, la circunstancia en la que hay que aplicar la estimulación para que se obtengan los mejores efectos terapéuticos.

Los resultados alcanzados por el trabajo de los científicos respaldan la hipótesis que postula al fenómeno denominado acoplamiento inter-frecuencia (AIF) como una característica que puede ser usada para implementar un sistema de neuromodulación adaptativo.

Estos sistemas son dispositivos que pueden leer la actividad eléctrica de un grupo de neuronas, identificando si el estado de las mismas es normal o patológico. También pueden actuar sobre la red neuronal con pulsos eléctricos para modificar su estado y cambiar de uno patológico a uno normal. Es el caso de la llamada terapia de estimulación cerebral profunda en pacientes con Parkinson.

El equipo de investigadores reportó los resultados de un modelo computacional que desarrollaron para estudiar el AIF en pacientes con Parkinson. La actividad neuronal presenta muchas ondas oscilatorias que dan lugar a diversos tipos de AIF. El modelo matemático que desarrollaron apunta a develar los mecanismos por los que la arquitectura de las redes neuronales que forman parte del cerebro da lugar al fenómeno de AIF. En el caso de la enfermedad de Parkinson, hay argumentos que respaldan la hipótesis sobre la relevancia del AIF como un potencial biomarcador que ayude a mejorar las terapias existentes.

Este resultado respalda la hipótesis que postula el fenómeno de AIF como una característica que puede utilizarse para implementar un sistema de neuromodulación adaptativo, un dispositivo capaz de “leer” la actividad eléctrica de un grupo o red de neuronas, identificar a través de sus características si el estado de esa red neuronal es normal o patológico y luego actuar sobre la red neuronal, por ejemplo, con pulsos eléctricos, con el objetivo de cambiar su estado y pasar de uno patológico a otro estado similar al normal.

Sensor molecular permite observar señales eléctricas en neuronas vivas

Investigadores de la Universidad de Bonn y la Universidad de California, cuyo trabajo ha sido publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) de febrero 2021, desarrollan una nueva tecnología que amplifica la visualización de la actividad neuronal mediante un sensor molecular.

Un nuevo sensor de voltaje molecular permite observar al detalle la propagación de señales eléctricas en neuronas vivas con alta resolución temporal y espacial, sin perturbar su actividad y al mismo tiempo desvela la cadena de luces que propaga la dinámica de las células nerviosas en el cerebro.

Iluminar el cerebro

La tecnología, que optimiza desarrollos previos con enfoques similares, permite observar la función de las neuronas sin perturbarlas. De esta manera, es posible obtener una visión más precisa de las disfunciones asociadas a determinadas enfermedades neuronales.

Básicamente, la nueva técnica “ilumina” los procesos neuronales cuando se busca apreciarlos al detalle y con la máxima definición posible. Para ello aprovecha la tensión eléctrica que se genera a partir del contraste de la carga energética existente entre el interior y el exterior de las neuronas, que a su vez se transmite mediante los axones – extremidades de las células nerviosas – a modo de un “cableado” biológico.

Las diferencias en ese voltaje son aprovechadas por el nuevo sensor para iluminar la actividad neuronal, pero sin afectarla ni someterla a ninguna presión. Como resultado de la “iluminación”, el proceso deja al descubierto una cadena de luces alrededor de las células nerviosas. Mediante proteínas fluorescentes introducidas por modificaciones genéticas, los especialistas obtienen “marcadores” lumínicos que permiten rastrear la dinámica neuronal.

Mejoras y potencial a futuro

Aunque el método había sido desarrollado en investigaciones previas, el nuevo estudio logra mejorarlo considerablemente. Por ejemplo, extiende el lapso en el cual se mantiene la luminosidad en las zonas de acción del sensor, propiciando un mejor aprovechamiento de la técnica.

Además, el sensor reacciona más rápido y con mayor sensibilidad a los cambios más pequeños en las señales eléctricas producidas en las neuronas. De esta forma, permite visualizar y registrar hasta 100 pulsos eléctricos por segundo, ampliando considerablemente el potencial de estudio y análisis.

El nuevo enfoque también elimina compuestos potencialmente tóxicos que se empleaban en estudios previos para hacer visibles los cambios en la actividad neuronal. De esta forma, se garantiza que el proceso no impacte sobre la actividad de las neuronas mientras se llevan a cabo los estudios.

Sin duda, la posibilidad de optimizar la visualización de los procesos neuronales en células vivas es un avance científico con un enorme potencial y una gran cantidad de aplicaciones, como por ejemplo la detección de las anomalías que tienen lugar en las patologías neurodegenerativas o el reconocimiento de la forma precisa en la que actúa el cerebro frente a diferentes estímulos.

Según destacan los investigadores la nueva técnica permitirá investigar cuestiones que antes estaban cerradas a la investigación científica en el campo de la neurociencia y hará posible comprender mejor el funcionamiento del cerebro.

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Las huellas moleculares que las experiencias vividas van dejando en las dendritas y en los terminales de las neuronas son la base del funcionamiento del sistema nervioso y su capacidad de hacer que su actividad vaya variando de forma dinámica. A la vez, son una parte fundamental del proceso de gestión de los recuerdos, que son patrones impresos en esas huellas moleculares con los que trabaja la célula nerviosa.

Es indudable que en las últimas décadas los avances en cuanto a la comprensión de la actividad cerebral son notorios y abarcan diferentes campos de aplicación.

Français : Activité électrique des dendrites

Ver también:

Neurociencia

La neurociencia de redes

Las redes neuronales

Redes neuronales artificiales en inteligencia artificial

Las ondas cerebrales

Fortalecimiento de la conectividad cerebral

Señales u ondas cerebrales