Descubierto un turbocargador para la memoria en células cerebrales de ratones
Un hipocampo de ratón que muestra los núcleos de las neuronas (azul) y el ARN (rojo) derivado del gen Pdz8 que los investigadores usaron para investigar el papel del calcio intracelular en el aprendizaje. Crédito: Stephanie Herrlinger/Columbias Zuckerman Institute
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que el aprendizaje requiere el flujo de calcio dentro y fuera de las células cerebrales. Pero los investigadores del Instituto Zuckerman de Columbia ahora han descubierto que las inundaciones de calcio que se originan dentro de las neuronas también pueden impulsar el aprendizaje. El hallazgo surgió de estudios sobre cómo los ratones recuerdan los nuevos lugares que exploran.
Publicada hoy en Science, la nueva investigación no sugiere que deba beber más leche rica en calcio para aprobar la clase de matemáticas. Proporciona una mejor comprensión de los mecanismos que subyacen en el aprendizaje y la memoria: conocimiento que podría ayudar a arrojar luz sobre trastornos como la enfermedad de Alzheimer.
«Las células que estudiamos en este nuevo trabajo están en el hipocampo, las primeras área del cerebro afectada por la enfermedad de Alzheimer», dijo Franck Polleux, Ph.D., investigador principal del Instituto Zuckerman de Columbia. «Comprender los principios básicos de lo que permite que estas células cerebrales codifiquen la memoria proporcionará una gran comprensión de lo que funciona mal en esta enfermedad».
La capacidad del cerebro para aprender y recordar todo, desde nuestras primeras palabras y pasos hasta donde Estacionar nuestro auto o dejar nuestras llaves depende de los espacios donde las neuronas se conectan entre sí, llamadas sinapsis. Las sinapsis, a través de las cuales las células intercambian información, pueden modificarse con el tiempo. Esta maleabilidad para experimentar, conocida como plasticidad, depende de cómo fluyen los iones de calcio dentro del cerebro.
Casi toda la investigación sobre el papel que juega el calcio en la plasticidad se ha centrado en cómo puede entrar y salir de una sinapsis a través de canales en la superficie de las neuronas. Durante más de dos décadas, los científicos han sospechado que las reservas de calcio dentro de las neuronas también podrían desempeñar un papel importante en la configuración de la plasticidad. Pero hasta ahora, los científicos no tenían forma de investigar los efectos que el calcio descargado de estos depósitos internos tenía dentro del cerebro de los mamíferos.
«Durante mucho tiempo, no hubo buenas herramientas para investigar realmente este liberación de calcio en un animal vivo como aprendió», dijo el investigador postdoctoral y primer autor Justin O’Hare, Ph.D., en el laboratorio de Polleux y el laboratorio de Attila Losonczy, MD, Ph.D., en el Instituto Zuckerman de Columbia.
En el nuevo estudio de ratones, el laboratorio Polleux y el laboratorio Losonczy se centraron en el hipocampo, una región del cerebro con forma de caballito de mar central para la memoria. Específicamente, los científicos analizaron neuronas en forma de pirámide que pueden codificar recuerdos de ubicaciones, llamadas células de lugar, en la región del hipocampo conocida como CA1.
Neurona piramidal (verde) en el hipocampo de un ratón en el que se eliminó el gen Pdz8 para investigar el papel de la liberación de calcio intracelular en el aprendizaje. Crédito: Stephanie Herrlinger/Columbias Zuckerman Institute
«Las celdas de lugar son una de las herramientas clave con las que no solo creamos mapas del mundo, sino que también asociamos un lugar con algo, como una recompensa, un color, un olor, cualquier cosa ”, dijo el Dr. Polleux, quien también es profesor de neurociencia en el Vagelos College of Physicians and Surgeons de Columbia. «La gran pregunta es: ‘¿Cómo hacen esto estas células?'».
Para responder a esta pregunta, los investigadores hicieron correr ratones en cintas de correr con cinturones hechos de tres tipos diferentes de tela y decorados con lentejuelas, pelo pompones y otros adornos. Estas decoraciones proporcionaron pistas sensoriales visuales y táctiles sobre lugares específicos en los cinturones. Las células del lugar en los cerebros de esos ratones habían sido modificadas genéticamente para encenderse en respuesta a la luz láser, una técnica conocida como optogenética. Esto permitió a los investigadores ajustar esas células de lugar a puntos específicos de los cinturones.
Dentro de las células de lugar, los investigadores se centraron en un gen llamado Pdzd8. Codifica una proteína que normalmente ayuda a limitar la cantidad de calcio liberado del retículo endoplásmico (ER), una red elaborada de tubos dentro de las células.
«El ER almacena una gran cantidad de calcio», dice el Dr. dijo Polleux. «Es como una bomba de calcio dentro de todas las células».
Los investigadores eliminaron Pdzd8. Esta eliminación eliminó los frenos a la liberación de calcio desde el RE. Luego, los científicos buscaron cambios en la actividad de las células de lugar tanto en los cuerpos centrales de las células como en sus dendritas, las ramas en forma de árbol con las que las células reciben señales de otras células.
«Cualquiera de las tecnologías que utilizado para realizar estos experimentos es difícil por sí solo. Combinarlos es simplemente una locura», dijo el Dr. Polleux. «Este es probablemente uno de los conjuntos de experimentos más desafiantes que ha salido de mi laboratorio, y nunca hubiera sucedido sin una profunda colaboración con el laboratorio Losonczy y los increíbles talentos experimentales y analíticos del Dr. Justin O’Hare».
Los científicos descubrieron que aumentar la cantidad de calcio liberado dentro de una célula de lugar ampliaba significativamente el área a la que estaba sintonizada, lo que aumentaba el tamaño de la ubicación que ayudaba a recordar a un ratón. Impulsar la liberación de calcio intracelular también aumentó drásticamente la duración de la sintonía de una célula de lugar con una ubicación específica.
Los flujos de calcio dentro de una neurona influyen en cómo las dendritas individuales de las células (diferentes colores) trabajan juntas o por separado del cuerpo de las células durante la memoria. formación. Crédito: Justin OHare/Columbias Zuckerman Institute
«La liberación de calcio intracelular puede actuar como un turbocompresor para la plasticidad», dijo el Dr. Polleux. «Descubrimos que también hace que las células de lugar sean incluso demasiado estables si no se controlan».
Los científicos también encontraron que las dendritas en el vértice de cada neurona en forma de pirámide en CA1 normalmente están sintonizadas en diferentes lugares. El aumento de la cantidad de calcio liberado dentro de estas neuronas ayudó a sintonizar muchas de las dendritas en sus vértices con un solo lugar durante el aprendizaje, pero tuvo un efecto menor en las dendritas en la base de las neuronas. Descubrir las formas en que todos los componentes de estas neuronas extraordinariamente complejas cambian durante el aprendizaje podría ayudar a los investigadores a descifrar cómo funcionan estas células.
«Se ha sospechado durante mucho tiempo que las dendritas funcionan como ‘células dentro de las células’ que pueden trabajar de forma independiente o, cuando sea necesario, en conjunto para mejorar el poder computacional de las neuronas individuales», dijo el Dr. Losonczy. «Nuestro estudio no solo muestra que este es realmente el caso, sino que también proporciona un mecanismo molecular de cómo se regula esta cooperación dendrítica en el comportamiento del cerebro».
«Cada célula de lugar potencial probablemente recibe decenas de miles de entradas que llevan información sobre un espacio», dijo el Dr. O’Hare. «Si piensas en toda esta complejidad, puedes apreciar que incluso una sola neurona en el cerebro es básicamente como una supercomputadora».
La investigación futura puede explorar qué efectos tiene la eliminación de Pdzd8 en el comportamiento en general. «Recientemente salió un artículo que identificó por primera vez mutaciones en Pdzd8 en humanos», dijo el Dr. Polleux. «Los individuos que portan esas mutaciones tienen graves déficits de memoria y aprendizaje, lo que demuestra lo importante que es para el cerebro».
Dr. O’Hare y sus colegas ahora están investigando qué sucede con CA1 en un modelo de ratón con la enfermedad de Alzheimer.
«¿Qué sucede con las células del lugar a medida que avanza esta enfermedad? Todavía no se sabe», dijo el Dr. O’Hare. dijo. «Comprender los principios básicos que otorgan a las células de lugar la capacidad de codificar recuerdos en el hipocampo podría tener enormes consecuencias para nuestra comprensión de lo que va mal en esta enfermedad. Entonces podemos pensar en cómo eso podría traducirse en nuevas terapias».
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Cómo las regiones CA1 del hipocampo izquierdo y derecho en el cerebro del ratón se comunican entre sí Más información: Justin K. O’Hare et al, Ajuste específico del compartimento de la función dendrítica selectividad por liberación de Ca2+ intracelular, Science (2022). DOI: 10.1126/ciencia.abm1670. www.science.org/doi/10.1126/science.abm1670 Información de la revista: Science
Proporcionado por la Universidad de Columbia Cita: Se ha encontrado en el cerebro un turbocompresor para la memoria que se sospecha desde hace mucho tiempo células de ratones (2022, 17 de marzo) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-03-long-suspected-turbocharger-memory-brain-cells.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.