Computadoras dendríticas: Cuando 1 + 1 = 3
Las neuronas típicamente consisten en un cuerpo celular o soma, dendritas y axón. Las dendritas son estructuras ramificadas que reciben señales de otras neuronas, mientras que los axones transmiten señales a otras neuronas. Las neuronas de Purkinje tienen la ramificación dendrítica más extensa de todas las neuronas del cerebro. Crédito: Arte de Bingata por Hazel Cruzado
El cerebro humano está repleto de neuronas, 86 mil millones de ellas conectadas en una red vasta y compleja que controla cómo nos movemos, pensamos, hablamos y creamos recuerdos. La información vital se intercambia a través de esta red a través de billones de puntos de conexión, llamados sinapsis. Cada neurona es bombardeada continuamente con miles de señales a través de estas sinapsis, algunas importantes y otras sin importancia, pero los científicos aún no entienden completamente cómo la neurona receptora extrae la información relevante.
«Esto se conoce como el problema de la ‘señal a ruido’ y ha sido objeto de estudio de los neurocientíficos durante los últimos 50 años», dijo Bernd Kuhn, quien dirige la Unidad de Neuroimagen Óptica en el Instituto de Ciencias de Okinawa. y la Universidad de Graduados en Tecnología (OIST). «Investigaciones anteriores nos han dado la idea de que cada neurona funciona como una computadora individual, tomando decisiones sobre cómo responder a estas señales por sí mismas, pero precisar los mecanismos exactos utilizados para lograr estos cálculos ha demostrado ser un verdadero desafío técnico».
Una forma en que las neuronas resuelven el problema de señal a ruido es prestando más atención a las señales que se reciben al mismo tiempo. Las neuronas mejoran las señales simultáneas de forma no lineal; por ejemplo, si se reciben dos entradas al mismo tiempo, la neurona podría responder como si hubiera recibido tres.
Anteriormente, los investigadores utilizaron cortes de tejido cerebral para estudiar cómo respondieron las neuronas a estas señales simultáneas, pero este método es «como mirar la punta del iceberg», comentó el equipo de investigación.
Sin embargo, en 2018, la Unidad de Neuroimagen Óptica OIST desarrolló una nueva y poderosa técnica , que utiliza imágenes de voltaje de dos fotones, que puede revelar la estructura 3D de las neuronas y detectar su actividad eléctrica de una manera mínimamente invasiva.
Ahora, por primera vez, esta técnica ha permitido a los investigadores abordar la problema de «señal a ruido» en animales despiertos, en lugar de rebanadas de tejido cerebral. Sus hallazgos se informaron en eLife.
«Trabajar con animales sensibles proporciona un nivel completamente nuevo de detalles sobre los procesos que ocurren dentro del cerebro», explicó el primer autor, el Dr. Christopher Roome, científico del personal en la Unidad de Neuroimagen Óptica. «Cuando trabajas con cortes de cerebro, tienes que estimular eléctricamente neuronas aisladas para que estas no sean señales de la vida real. Mientras que en un animal vivo, tienes miles de entradas naturales a las neuronas, incluidas señales espontáneas que la neurona debe filtrar, y las señales evocadas generadas en respuesta a los estímulos sensoriales a los que la neurona debe reaccionar. Entonces, puede comenzar a ver todas las diferentes formas en que las neuronas procesan y diferencian estas señales».
En el estudio, el equipo utilizó ratones para estudiar un tipo específico de célula cerebral, la neurona de Purkinje, que se encuentra en el cerebelo, la parte del cerebro involucrada en el control del movimiento.
Las neuronas de Purkinje reciben señales de fibras paralelas y fibras trepadoras: los axones de otros dos tipos de neuronas. Cada neurona de Purkinje está conectada a una sola fibra trepadora, que proporciona información poderosa que los investigadores creen que ayuda al animal a aprender y refinar el movimiento.
Las neuronas en el cerebro están etiquetadas con sensores fluorescentes que varían en intensidad de fluorescencia según los cambios en el voltaje. o nivel de calcio dentro de las neuronas. Aquí, se obtienen imágenes de las neuronas utilizando un microscopio de dos fotones y luego se reconstruyen en 3-D. La microscopía de dos fotones también permite a los científicos detectar cambios en la fluorescencia y, por lo tanto, medir la actividad de estas neuronas en tiempo real. Crédito: Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa.
Por otro lado, cada una de las neuronas de Purkinje está conectada a unas 100 000 fibras paralelas, que brindan información detallada sobre la posición del cuerpo y cualquier objeto fuera del cuerpo con el que el animal está tratando de interactuar. con.
Los científicos administraron pequeñas bocanadas de aire en el ojo de un ratón despierto, lo que provocó un reflejo de parpadeo y provocó que se transmitieran múltiples señales a las neuronas de Purkinje. Supervisaron cómo respondían las neuronas de Purkinje cuando recibían estas señales de las fibras paralelas y ascendentes.
El equipo de investigación de OIST descubrió que una de las formas en que las neuronas de Purkinje respondían a las señales resultantes del soplo de aire, llamada señales evocadas, fue a través de picos dendríticos. Estos son impulsos eléctricos o potenciales de acción que ocurren solo dentro de las dendritas.
«Normalmente, pensamos en las neuronas que reciben información de las dendritas, que luego suma todas las señales. Si se alcanza cierto umbral, entonces una acción el potencial se genera y se transmite por el axón», explicó el Prof. Kuhn. «Pero en realidad es un poco más complicado que eso. Si una señal es lo suficientemente fuerte, los potenciales de acción también pueden ocurrir en la dendrita y permanecer localizados en esa área de la dendrita».
Investigaciones anteriores han demostrado que las señales poderosas individuales de una fibra trepadora puede inducir estos picos dendríticos, pero esta fue la primera vez que los investigadores observaron que se producían picos dendríticos locales cuando las neuronas de Purkinje recibían señales evocadas de múltiples fibras paralelas al mismo tiempo.
En contraste, los investigadores rara vez se observaron picos dendríticos cuando las neuronas de Purkinje recibieron señales espontáneas en momentos aleatorios, lo que demuestra que la neurona usó picos dendríticos para diferenciar las señales verdaderas del ruido.
Todavía no está claro cuáles son los efectos de los picos dendríticos, pero los investigadores creen que puede cambiar la neurona de Purkinje a un nivel muy local. «Una posibilidad es que pueda cambiar la fuerza de las sinapsis en esa área, sin afectar ninguna otra sinapsis de la neurona», dijo el Dr. Roome. «Esto es importante porque significa que el poder computacional de la neurona aumenta dramáticamente, ya que diferentes partes de la dendrita pueden realizar estos cálculos de forma independiente».
Se cree que los cambios en la fuerza de las sinapsis individuales son un mecanismo importante para el aprendizaje, ya que los efectos son a más largo plazo que los potenciales de acción de corta duración.
En el futuro, el equipo de investigación está profundizando en si los mecanismos para responder a señales simultáneas ayudan a la memoria y el aprendizaje.
«En general, esperamos que nuestro trabajo pueda ayudar a revelar las reglas básicas de cómo las dendritas neuronales procesan la información, lo que podría tener ramificaciones de largo alcance», dijo el profesor Kuhn. «Comprender cómo funciona el cerebro en general podría ayudar a crear mejores computadoras y mejorar la inteligencia artificial. El procesamiento dendrítico también desempeña un papel en muchos trastornos neurológicos, como la epilepsia y el autismo, por lo que este trabajo podría contribuir en última instancia a comprender y tratar estos trastornos».
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Observando neuronas en acción Más información: Detección de coincidencia dendrítica en neuronas de Purkinje de ratones despiertos. eLife. DOI: 10.7554/eLife.59619 Información de la revista: eLife
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa Cita: Computadoras dendríticas: Cuando 1 + 1 = 3 (2021 , 13 de abril) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-04-dendritic.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.