Investigadores encuentran una diferencia llamativa entre las neuronas de los humanos y las de otros mamíferos
Crédito: CC0 Public Domain
Las neuronas se comunican entre sí a través de impulsos eléctricos, que son producidos por canales iónicos que controlan el flujo de iones como el potasio y el sodio. En un nuevo y sorprendente hallazgo, los neurocientíficos del MIT han demostrado que las neuronas humanas tienen un número mucho menor de estos canales de lo esperado, en comparación con las neuronas de otros mamíferos.
Los investigadores plantean la hipótesis de que esta reducción en la densidad de canales puede haber ayudado al cerebro humano a evolucionar para operar de manera más eficiente, lo que le permite desviar recursos a otros procesos intensivos en energía que se requieren para realizar tareas cognitivas complejas.
«Si el cerebro puede ahorrar energía mediante la reducción de la densidad de los canales iónicos, puede gastar esa energía en otros procesos neuronales o de circuitos», dice Mark Harnett, profesor asociado de ciencias del cerebro y cognitivas, miembro del Instituto McGovern para el Cerebro del MIT. Research, y el autor principal del estudio.
Harnett y sus colegas analizaron neuronas de 10 mamíferos diferentes, el estudio electrofisiológico más extenso de su tipo, e identificaron un «plan de construcción» que es válido para todas las especies. miraron excepto a los humanos. Descubrieron que a medida que aumenta el tamaño de las neuronas, también aumenta la densidad de los canales que se encuentran en las neuronas.
Sin embargo, las neuronas humanas demostraron ser una sorprendente excepción a esta regla.
» Estudios comparativos previos establecieron que el cerebro humano está construido como otros cerebros de mamíferos, por lo que nos sorprendió encontrar pruebas sólidas de que las neuronas humanas son especiales», dice Lou Beaulieu-Laroche, exestudiante de posgrado del MIT.
Beaulieu-Laroche es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Nature.
Un plan de construcción
Las neuronas en el cerebro de los mamíferos pueden recibir señales eléctricas de miles de otras células, y esa entrada determina si dispararán o no un impulso eléctrico llamado potencial de acción. En 2018, Harnett y Beaulieu-Laroche descubrieron que las neuronas humanas y de rata difieren en algunas de sus propiedades eléctricas, principalmente en partes de la neurona llamadas antenas similares a las dendritas que reciben y procesan información de otras células.
Uno de los hallazgos de ese estudio fue que las neuronas humanas tenían una menor densidad de canales iónicos que las neuronas en el cerebro de rata. Los investigadores se sorprendieron con esta observación, ya que generalmente se suponía que la densidad del canal de iones era constante en todas las especies. En su nuevo estudio, Harnett y Beaulieu-Laroche decidieron comparar neuronas de varias especies de mamíferos diferentes para ver si podían encontrar patrones que rigieran la expresión de los canales iónicos. Estudiaron dos tipos de canales de potasio dependientes de voltaje y el canal HCN, que conduce tanto potasio como sodio, en las neuronas piramidales de la capa 5, un tipo de neuronas excitatorias que se encuentran en la corteza cerebral.
Pudieron obtener tejido cerebral de 10 especies de mamíferos: musarañas etruscas (uno de los mamíferos más pequeños conocidos), jerbos, ratones, ratas, conejillos de Indias, hurones, conejos, monos tití y macacos, así como tejido humano extraído de pacientes con epilepsia durante una cirugía cerebral . Esta variedad permitió a los investigadores cubrir una variedad de grosores corticales y tamaños de neuronas en todo el reino de los mamíferos.
Los investigadores descubrieron que en casi todas las especies de mamíferos que observaron, la densidad de los canales iónicos aumentaba a medida que aumentaba el tamaño de las neuronas subieron. La única excepción a este patrón fue en las neuronas humanas, que tenían una densidad de canales iónicos mucho más baja de lo esperado.
El aumento en la densidad de canales entre especies fue sorprendente, dice Harnett, porque cuantos más canales hay, más más energía se requiere para bombear iones dentro y fuera de la célula. Sin embargo, comenzó a tener sentido una vez que los investigadores comenzaron a pensar en la cantidad de canales en el volumen total de la corteza, dice.
En el diminuto cerebro de la musaraña etrusca, que está repleto de diminutos neuronas, hay más neuronas en un volumen dado de tejido que en el mismo volumen de tejido del cerebro de conejo, que tiene neuronas mucho más grandes. Pero debido a que las neuronas de conejo tienen una mayor densidad de canales iónicos, la densidad de canales en un volumen dado de tejido es la misma en ambas especies, o en cualquiera de las especies no humanas que analizaron los investigadores.
«Este edificio plan es consistente en nueve especies diferentes de mamíferos», dice Harnett. «Lo que parece que la corteza está tratando de hacer es mantener la misma cantidad de canales iónicos por unidad de volumen en todas las especies. Esto significa que para un volumen dado de corteza, el costo energético es el mismo, al menos para los canales iónicos. .»
Eficiencia energética
Sin embargo, el cerebro humano representa una sorprendente desviación de este plan de construcción. En lugar de una mayor densidad de canales iónicos, los investigadores encontraron una disminución drástica en la densidad esperada de canales iónicos para un volumen dado de tejido cerebral.
Los investigadores creen que esta menor densidad puede haber evolucionado como una forma de gastar menos energía en el bombeo de iones, lo que permite que el cerebro use esa energía para otra cosa, como crear conexiones sinápticas más complicadas entre las neuronas o disparar potenciales de acción a un ritmo mayor.
«Creemos que los humanos han evolucionado de este plan de construcción que anteriormente restringía el tamaño de la corteza, y descubrieron una manera de volverse más eficientes energéticamente, por lo que se gasta menos ATP por volumen en comparación con otras especies», dice Harnett.
Él ahora espera estudiar adónde podría ir esa energía adicional y si hay mutaciones genéticas específicas que ayuden a las neuronas de la corteza humana a lograr esta alta eficiencia. Los investigadores también están interesados en explorar si las especies de primates que están más estrechamente relacionadas con los humanos muestran disminuciones similares en la densidad de los canales iónicos.
Explore más
El estudio identifica qué hace que las neuronas humanas sean únicas Más información: Mark Harnett, Reglas alométricas para la biofísica de neuronas de la capa cortical 5 de los mamíferos, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-04072-3. www.nature.com/articles/s41586-021-04072-3 Información de la revista: Nature
Proporcionado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts Cita: Los investigadores encuentran una diferencia sorprendente between neurons of human and other mamifers (2021, 10 de noviembre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-11-difference-neurons-humans-mammals.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.