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El Conectoma cerebral. 07. Escalas del conectoma I




En la entrada anterior de esta serie sobre el conectoma cerebral habíamos hablado de los tres tipos de redes generalizadas en el conjunto del cerebro: la corticotalámica; las redes “en serie” de la corteza con los ganglios basales o el cerebelo; y las redes difusas de los neuromoduladores. Hoy bajaremos al detalle para explicar otros tres niveles de conexionado atendiendo a su escala. Cuando se intenta entender cómo trabajan las redes cerebrales parece obvio que lo primero debería ser el conocer sus elementos y cómo están conectados. Comenzaremos echándole un vistazo a una foto de nuestro actor.

Disección de un cerebro humano en donde se aprecia claramente la distinción entre la sustancia blanca y la gris. También quedan evidentes los ventrículos internos por donde circula el líquido raquídeo (Wikimedia, CC BY 2.5)

Encima de esas líneas tenéis una imagen de un cerebro diseccionado. Como podéis apreciar, hay zonas más claras y zonas más oscuras. Las más oscuras, o sustancia gris, corresponden a lugares donde se encuentran anidadas los cuerpos de las neuronas y la mayor parte de sus proyecciones dendríticas. Se aprecia con gran claridad cómo forman la capa más exterior del córtex. Luego hay otras zonas internas de tonalidad más claras, la sustancia blanca, formadas en gran medida por las extensiones axonales de las anteriores neuronas. Tienen ese color porque los axones están muy mielinizados, siendo así que la mielina es un material lipoproteico de ese color.[1]

Más adelante, en otra entrada, veremos algún detalle de la arquitectura de la sustancia gris y de la blanca del cerebro. Aunque antes de pasar adelante quiero que quede clara la idea de que, a pesar de esta textura uniforme que vemos como sustancia blanca, tiene poco de uniforme y homogénea. Está compuesta por las grandes “autopistas” de información neural, en gran medida vías de conexión entre las diversas zonas funcionales en que solemos dividir al cerebro. Así hay que verla.

Además de esas grandes fibras intracraneales, algunas de las cuales se extienden por la médula espinal, también hay otro tipo de agrupaciones axonales. Estoy hablando de los nervios, que también son estructuras conductoras de información neuronal pero que discurren en la mayoría de su trazado fuera del sistema nervioso central.[2] Pero no creamos que las fibras nerviosas son la única estructura de conexionado entre neuronas., porque si bajamos a una escala mucho menor veremos que es en el nivel más próximo donde realmente la comunicación entre neuronas se establece en una especie de bazar oriental activo, ebullescente y cambiante, de toma y daca, lo que incluso puede resultar mucho más interesante. Evidentemente estamos hablando de la comunicación sináptica entre las propias neuronas.

Con lo dicho hasta ahora en esta serie, y no solamente en los párrafos anteriores, podemos pensar que la casuística de conexionado en las redes cerebrales puede clasificarse de acuerdo a la escala de operatividad en la transmisión de información. Hay un escenario a escala macro, en donde imaginamos a las fibras y nervios “axonales” como sus personajes. Hay una escala micro, en donde no solamente debemos apuntar a las neuronas y sus sinapsis, sino también a otros procesos fisiológicos de comunicación entre neuronas, ya que también pueden comunicarse eléctricamente, al intercambiarse iones por orificios en sus membranas formados por proteínas especializadas para ello, o químicamente por otros medios que no sean los neurotransmisores, incluyendo las uniones intercelulares, una especie de velcro,[3] o la señalización extracelular, auténticos cebos de pesca.[4]

Pero también existe una escala intermedia de conexionado neuronal, entre la macro y la micro, que corresponde al nivel de pequeñas estructuras modulares de neuronas que podemos encontrar en el cerebro. Se suele poner como ejemplo las microcolumnas de la corteza, que son una forma de organización funcional de las neuronas de la corteza cerebral en columnas verticales. A continuación vamos a ampliar un poco el detalle sobre estas diversas arquitecturas.

Micro. Las sinapsis

Ya he hablado otras veces en este blog de El Cedazo acerca de las neuronas y sus sinapsis. Podéis acudir a la entrada número 5 de la serieBiografía de lo Humano” y en especial, donde desarrollé el tema con mucho más detalle, la entrada número 3 de la serieLos sistemas receptores”. No voy a repetir el tema, aunque lo voy a ampliar con la descripción de algunas características funcionales que allí no se tratan.

Imagen de un par de neuronas efectuando una sinapsis y detalle de esta última (figura a partir de Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

Las neuronas se encuentran dentro de su caja de hueso, en donde ocasionalmente reciben información del exterior. Aunque principalmente se encuentran en un estado de continuo parloteo interno entre ellas. Las sinapsis son las más importantes vías físicas por donde las neuronas “conversan” de forma unidireccional: de axón a dendrita; el axón de la neurona presináptica les habla a las dendritas de la neurona postsináptica, mensaje que tras pasar por el cuerpo celular se transmite al propio axón[5] y… vuelta a empezar en la siguiente estación sináptica. En la base de la mayoría de ellas está el intercambio de neurotransmisores. Mejor dicho, la base está en la acción que un neurotransmisor segregado por una neurona presináptica produce en la postsináptica. Esta acción puede ser fisiológicamente variada, aunque todas suelen inducir un desequilibrio de voltaje entre el interior y el exterior de la membrana dendrítica de la neurona que, si es suficientemente intenso como para sobrepasar un umbral determinado, genera un tren de impulsos -potenciales de acción- a través de la vía dendrita-soma neuronal-axón. Pero no todo es tan sencillo como decir que una única acción genera una única reacción. Y, además, una reacción de todo o nada, en el sentido de que o da una señal de respuesta completa o no la da. Es mucho más complejo e impredecible ¡y variable en el tiempo!

Puede que una neurona tenga solamente un punto de contacto sináptico con otra. Pero es muy normal que las sinapsis se realicen a través de varias espinas dendríticas. Incluso de varias neuronas. No olvidemos que en promedio cada neurona realiza unas diez mil sinapsis (es muy ilustrativa la imagen que sigue). Puede darse el caso de que la cantidad de neurotransmisor segregado no sea suficiente como para disparar un potencial de acción en la receptora. O que no sea el preciso para la reacción. También puede depender del tipo de neurona, ya que las hay netamente excitadoras y netamente inhibidoras. Las primeras transmiten el testigo a las siguientes neuronas. Las segundas, aun cuando hayan recibido el mensaje sináptico, su reacción es no transmitir nada y por tanto hacen enmudecer a sus respectivas neuronas postsinápticas.[6] E incluso hay un tercer tipo, que son moduladoras, que hacen lo que conviene según las circunstancias y las células implicadas.

A. Árbol dendrítico de una neurona en donde se aprecia su infinidad de espinas sinápticas. B. Detalle de una dendrita y sus espinas. C. Una dendrita en toda su longitud. (Imagen a partir de “Age-Based Comparison of Human Dendritic Spine Structure Using Complete Three-Dimensional Reconstructions”, figura 1, Ruth Benavides-Piccione et al., “cerebral Cortex”, agosto 2013, fair use)

Dentro de esos tres tipos generales de neuronas “activadoras” o “frenadoras” -e incluso para las “moderadoras”- ¿qué es lo que puede determinar su nivel de excitación sináptico activador o inhibidor? Ahí entra el concepto de la fuerza sináptica, que consiste en la mayor o menor variación del potencial de membrana que ocurre en una neurona cuando se activan los receptores de neurotransmisores postsinápticos. O, visto de otra manera, la mayor o menor intensidad en el proceso de acción-reacción en la sinapsis. Como hemos dicho un poco antes, se puede dar el caso de que las vesículas de neurotransmisores excretadas por las neuronas presinápticas no contengan suficiente cantidad de neurotransmisor, o que lo haya de un tipo que no excita a la neurona precisa, o que ésta no tenga suficientes espinas receptoras. Pero también puede ser que, aunque no haya problemas con los neurotransmisores, la suma de excitaciones sinápticas sobre la neurona postsináptica no alcance a superar en ella un nivel crítico de respuesta. Lo cual puede ser porque sus espinas receptoras estén muy alejadas unas de otras en la dendrita, o que el intento de activación por los neurotransmisores segregados por la neurona presináptica se produzca en un intervalo de tiempo suficientemente largo como para que se dificulte su suma en la postsináptica. O simplemente porque no es suficientemente abundante el número de axones que viniendo de distintas neuronas convergen sobre la dendrita receptora común. Circunstancias todas ellas que hacen que la función sináptica sea débil.

A. Transformación de un filamento en una espina dendrítica. (Foto de la red: Max Planck Institute of Neurobiology, fair use) B y C. imágenes, tomadas “in vivo”, que corresponden a una dendrita de la corteza visual de un ratón, de la zona indicada con un recuadro amarillo en B. En C, imágenes secuenciales tomadas a los xxx días tras el nacimiento del ratón (PND). Se observa la presencia de espinas persistentes (flechas amarillas) y espinas transitorias (flechas azules) (Imagen a partir de “Transient and Persistent Dendritic Spines in the Neocortex In Vivo”, figura 4, Anthony J. G. D. Holtmaat et al., “Neuron” enero 205, fair use) D. Recuperación del axón tras una lesión. Un segmento de axón que muestra un aumento en la densidad de espinas inmediatamente después de la lesión, a los 0,25 días (flechas blancas) y dos eliminadas a los 14 días (flecha amarillas) (Imagen a partir de “Rapid axonal sprouting and pruning accompany functional reorganization in primary visual cortex”, figura 4, H. Yamahachi et al., “Neuron” noviembre 2009, fair use)

Superado esto aún queda una circunstancia poderosa que puede echar por tierra el esfuerzo sináptico. Es el caso de que en el anterior escenario sumatorio entre en acción un neurotransmisor inhibidor, que hará que la neurona postsináptica no se active.[7] Lo cual no es que sea una mala noticia, porque las neuronas inhibidoras son tan necesarias como las excitadoras, ya que son las que regulan funcionalidades -muchas de ellas motoras- que sin su presencia se dispararían. Un caso típico es la cadena de neuronas que dirigen el antagonismo contracción-relajación de los músculos en las extremidades. Para doblar la pierna por la rodilla tendrán que contraerse los músculos isquiotibiales -flexores de la rodilla- e inhibirse sus oponentes, los cuádriceps -extensores de la rodilla-. Si estos últimos intentaran contraerse cuando también lo hacen sus contrarios, no habría quien moviera la rodilla.

¿Pensáis que ya que con eso se acabaron los complejos laberintos de las conexiones sinápticas? Pues no, porque las sinapsis además son cambiantes con la actividad y el tiempo, lo que se conoce como plasticidad neuronal (ver imagen anterior). En pocas palabras eso quiere decir que la experiencia de la dinámica genética, fisiológica y anatómica vivida por las neuronas deja en ellas muchas huellas que van a alterar su arquitectura y su red de conexiones inicial. Una sinapsis activada ya es posible que no se comporte de forma igual en el siguiente envite de información. Puede incluso desaparecer la espina donde se ubicó, y también pueden crecer nuevas espinas y por tanto nuevas vías para la información. La máquina fisiológica interna puede generar más o menos vesículas de neurotransmisores. La expresión futura de los genes en el ADN neuronal puede verse alterado. Las dendritas y axones pueden retraerse o ampliarse.

No es más que el reflejo de la vida. Las sinapsis, o más bien los circuitos de conversación neuronal, aparecen durante la fase embrionaria y están definidas por la acción de los genes. Con la experiencia recibida con las percepciones y los pensamientos muchas de estas sinapsis y circuitos se modifican y cogen fuerza, adaptándose a lo que realmente se va revelando como útil para la homeostasis. Esto, que se conoce como plasticidad cerebral, quiere decir que el cerebro para nada es un órgano estático. Cambia continuamente con la actividad, bien reforzando la fuerza de las sinapsis, bien cambiando su número con nacimientos y muertes, bien “recableando” las interconexiones entre neuronas. Siempre en continuo y azaroso cambio. Con ese material estamos trabajando nuestras vidas. Como prueba fehaciente de ello podéis admirar las impresionantes -al menos a mí me lo parecen- imágenes de dendritas y sinapsis que he incorporado en esta entrada.

Con todo lo anterior no pretendo haber hecho un relato erudito de las conversaciones neuronales en su patio de vecindad: sólo pretendo que en los lectores quede grabado el poso de la existencia de una tremenda complejidad, con la que el cerebro está en condiciones de jugar casi a lo que le de la gana. Y eso es la base de su potencial. Quedaros simplemente con eso.

Si todo eso puede pasar en el nivel micro del conectoma, qué terrible existencia, podemos pensar, se debe vivir en el macro. Pues bien, ni todo es tan terrible, ya que gracias a su plasticidad el cerebro puede hacer sus diabluras,[8] ni el macro es tan alterable. Y hablando del macro… en la siguiente entrada.

  1. La mielina es una estructura multilaminar formada por las membranas plasmáticas de las células de Schwann -un tipo de células gliales- que rodean con su citoplasma a los axones de las neuronas, creando una protección, además de otras funciones. Desde el punto de vista bioquímico está constituido por material lipoproteico que constituye algunos sistemas de bicapas fosfolipídicas. Se encuentra en el sistema nervioso de los vertebrados formando una capa gruesa alrededor de los axones neuronales y permite la transmisión de los impulsos nerviosos a distancias relativamente largas gracias a su efecto aislante. Este recubrimiento se conoce como vaina de mielina. []
  2. Los nervios están formados por un conjunto de axones agrupados, cada uno de los cuales procede de una neurona. Pueden ser motores o sensitivos, pero la mayor parte son mixtos, ya que contienen tanto fibras de un tipo como del otro. Se originan en la médula espinal -nervios raquídeos- o parten directamente del encéfalo -nervios craneales-. []
  3. Las uniones intercelulares son puntos de contacto entre las membranas plasmáticas de las células o entre célula y matriz extracelular. Normalmente son una especie de red de proteínas que atraviesan las membranas celulares y que forman puntos de adhesión entre célula y célula, o bien entre célula y la matriz externa. []
  4. Las células generalmente se comunican entre sí mediante señales químicas. Estas señales químicas, que son proteínas u otras moléculas producidas por una célula emisora, con frecuencia son secretadas por la célula y liberadas en el espacio extracelular. Ahí pueden flotar hacia las células vecinas al igual que si se trataran de señuelos de pesca. []
  5. La intensidad de esos mensajes dendríticos se ve reflejada en la base del nacimiento del axón en el soma celular de la neurona, lo que se conoce como el cono axónico. Es como si las “ondas” que vienen de las dendritas se fueran acumulando en este lugar produciendo un mayor o menor “estrés”, que si alcanza un determinado umbral tendrá como consecuencia la descarga del potencial de acción por el axón y la posterior conversación sináptica con las espinas dendríticas de la siguiente neurona. []
  6. Vimos algo de esto al hablar de las redes en serie cortico-gangliobasal en la entrada anterior. []
  7. Los más importantes son el GABA, ácido γ-aminobutírico, principal neurotransmisor inhibidor en el cerebro y en las vías de proyecciones largas (tractos axonales o nervios); y la glicina, principal neurotransmisor inhibidor de la médula espinal. []
  8. La plasticidad es el soporte de la memoria, entre otras habilidades. Y sin memoria no hay consciencia, cosa que queda clara si nos hacemos la siguiente pregunta: ¿cómo podríamos razonar o planificar si no tenemos un sitio neural donde poner varios estados diferentes para poder contrastarlos? []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 2 } Comentarios

  1. Gravatar Marcelo | 11/09/2019 at 06:55 | Permalink

    Es un disfrute tener la oportunidad de acercarse a este nivel de complejidad en cuanto al funcionamiento de nuestro cerebro , es fascinante lo que se ha descubierto hasta ahora , y lo que queda por desvelar aún . Mil gracias Jreguart por hacerlo tan ameno .

  2. Gravatar jreguart | 12/09/2019 at 07:32 | Permalink

    Hola Marcelo,

    tienes toda la razón. El mundo del encéfalo es fascinante. Nunca deja de sorprenderme. Y gracias por tus amables palabras.

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