Las neuronas en crecimiento ganan ventaja al hacer conexiones
Una célula cerebral de Purkinje normal (arriba) y una célula de Purkinje con una mutación del gen GluD2 (abajo) que afecta la capacidad de establecer conexiones sinápticas tempranas con vecinos. Crédito: Andrew Shuster
Un poco de competencia nunca es algo malo, especialmente cuando se trata de neuronas incipientes que crecen en el cerebro, según un nuevo estudio de la Universidad de Stanford.
En un primer estudio de este tipo, los investigadores dirigidos por el biólogo de Stanford, Liqun Luo, utilizaron experimentos genéticos y modelos informáticos para arrojar luz sobre dos pasos importantes del desarrollo del cerebro en ratones jóvenes: el crecimiento de extensiones ramificadas en los cuerpos de las neuronas, llamadas dendritas, y las conexiones que las dendritas hacen con otras neuronas. Al igual que las antenas biológicas, las dendritas reciben señales entrantes de otras neuronas a través de conexiones llamadas sinapsis. El equipo de Luo descubrió que las dendritas de las neuronas en crecimiento compiten entre sí para formar conexiones con sus parejas, y la presencia de conexiones exitosas aumenta las probabilidades de crecimiento de las dendritas.
Los hallazgos, publicados en febrero en la revista Neuron , revelan que las interacciones competitivas son importantes cuando las neuronas crecen y forman circuitos. También abordan preguntas fundamentales en neurociencia, dijo Luo, profesora Ann y Bill Swindells en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford.
«¿Cómo se conecta el cerebro? ¿Cómo se forman los circuitos neuronales? Estos son grandes preguntas sin respuesta», dijo Luo.
El cableado del cerebro
Eso se debe a que la forma en que crecen las neuronas es un problema del huevo y la gallina, explicó Luo. ¿Tienen que existir las dendritas antes de que se puedan formar las sinapsis? ¿O es la formación de conexiones sinápticas vital para el crecimiento dendrítico?
Según una idea, llamada hipótesis sinaptotrófica, las sinapsis estabilizan las dendritas y las hacen más propensas a crecer más, mientras que las dendritas sin sinapsis tienen más probabilidades de retroceder . Luo dijo que, hasta donde él sabía, esta teoría nunca antes se había probado en el cerebro de un mamífero en desarrollo. Entonces, decidió que su laboratorio sería el primero en hacerlo.
El laboratorio de Luo se especializa en explorar cómo se forman los circuitos neuronales durante el desarrollo y cómo se organizan para realizar funciones específicas. Durante más de dos décadas, su laboratorio ha investigado estas cuestiones, a menudo utilizando células de Purkinje, las principales neuronas del cerebelo que influyen en las funciones motoras y cognitivas.
«Las células de Purkinje son mi primer amor porque fueron las primeras neuronas de los mamíferos. Estudié, cuando todavía era un posdoctorado», dijo Luo. «Se ven como árboles hermosos y hay muchas herramientas genéticas para estudiarlos».
Varias de estas herramientas genéticas se desarrollaron en el laboratorio de Luo, como la técnica Mosaic Analysis with Double Marker (MADM), que elimina un gen de interés de células individuales aisladas y etiqueta esas células con un marcador único.
Imagínese que una célula de Purkinje es un árbol, explicó Luo. «Etiquetar células individuales te permite iluminar un árbol completo en un denso bosque de neuronas, mientras que si se etiquetan todas las células de Purkinje, es difícil visualizar cómo se ve un árbol individual».
Cultivo de células de Purkinje forman circuitos a través de sinapsis que se organizan en capas, con una molécula de cerebelina-1 (Cbln1) en un lado y una proteína delta 2 del receptor de glutamato (GluD2) en el otro.
En el nuevo estudio, el equipo de Luo utilizaron varios métodos diferentes para alterar los genes Cbln1 y GluD2. También utilizaron modelos informáticos que simularon el crecimiento dendrítico y la formación de sinapsis para explorar más a fondo sus preguntas de investigación.
En un experimento, los investigadores manipularon células de Purkinje en embriones de ratón en desarrollo utilizando MADM y otras técnicas para eliminar el gen GluD2 y etiquetar las células alteradas.
Los investigadores descubrieron que eliminar el gen GluD2 en todas las células de Purkinje no tuvo un efecto notable en el crecimiento dendrítico, pero cuando solo las células de Purkinje aisladas perdieron el gen GluD2, los resultados fueron sorprendentes.
Las células de Purkinje con el gen GluD2 en funcionamiento crecieron en su forma cuadrada habitual con ramas de dendrita uniformes en la parte inferior del árbol (crecimiento temprano) y en la parte superior (crecimiento posterior). Por el contrario, las células de Purkinje que carecen del gen GluD2 tuvieron poco crecimiento dendrítico desde el principio, lo que resultó en células de Purkinje con forma de pirámides invertidas.
«La clave de este estudio es la capacidad de comparar las células de Purkinje vecinas que tienen y carecen del gen GluD2», dijo Luo. «Esto revela la competencia entre las dendritas por las sinapsis y cómo las dendritas crecen con sinapsis normales o reducidas para estabilizarlas».
Los científicos se sorprendieron por la forma de pirámide invertida de las células de Purkinje que carecían del gen GluD2. . «La falta de crecimiento temprano de dendritas fue predicha por la hipótesis sinaptotrófica, pero no se esperaba el crecimiento excesivo de dendritas en la parte superior en el desarrollo tardío», dijo Luo. Una posible explicación es que la formación de sinapsis puede ayudar temprano, pero inhibe el crecimiento tardío de las dendritas, añadió.
Los hallazgos de este estudio acercan al laboratorio de Luo y a la comunidad neurocientífica un paso más hacia la comprensión de cómo se conecta el cerebro durante desarrollo. «Es ciencia básica, pero también tiene implicaciones para los trastornos psiquiátricos y del neurodesarrollo», dijo Luo.
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La plasticidad de las dendritas de las células de Purkinje y la base del aprendizaje del cerebelo Más información: Jan H. Lui et al. Codificación diferencial en las clases de neuronas de proyección de la corteza prefrontal a través de tareas cognitivas, Cell (2020). DOI: 10.1016/j.cell.2020.11.046 Información de la revista: Neuron , Cell
Proporcionado por la Universidad de Stanford Cita: Las neuronas en crecimiento ganan ventaja al hacer conexiones ( 2021, 11 de marzo) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-03-neurons-gain-edge.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.