La variabilidad sináptica proporciona adaptabilidad para el patrón motor rítmico
Aplysia en movimiento y en un estado de alimentación, así como las neuronas identificadas en el sistema nervioso central que controlan los comportamientos. Crédito: Jian Jing, Ke Yu
Un atleta bien entrenado que corre 100 yardas realiza un patrón motor repetitivo y altamente estereotipado. Los neurocientíficos entienden que estos programas motores rítmicos, como caminar, nadar y correr, son producidos por circuitos neuronales que generan patrones repetitivos que son similares de un ciclo a otro. Hace más de un siglo, los experimentos con la médula espinal llevaron a la propuesta de que una red neuronal simple puede producir un patrón de disparo oscilatorio rítmico. Estas redes oscilatorias ahora se conocen como generadores de patrones centrales.
Al analizar la producción de estos patrones de activación por parte de los generadores de patrones centrales, los neurocientíficos se han centrado tradicionalmente en preparaciones experimentales en las que la salida rítmica es casi idéntica de un ciclo a otro. Sin embargo, para que un animal o una persona tenga éxito, el programa motor debe ser adaptable. El patrón motor de un individuo que camina sobre una superficie mojada y resbaladiza difiere del patrón motor de un individuo que camina sobre una superficie seca y lisa. El patrón motor de una persona que come granola con nueces y bayas secas difiere del patrón motor de una persona que come avena sola.
Generar programas motores variables también es esencial para permitir el aprendizaje futuro. Durante el desarrollo, un niño aprende a producir un patrón motor maduro comenzando con un patrón altamente variable. Al principio, la forma de caminar de un niño pequeño es muy inestable, pero en poco tiempo, puede caminar con un paso constante. El mismo proceso ocurre cuando una persona mayor aprende una nueva actividad, como nadar o patinar sobre hielo. Gradualmente, el sistema nervioso llega a producir consistentemente un programa motor más exitoso. Las aves que aprenden el canto pasan por una progresión similar al principio, el canto es variable, pero gradualmente se vuelve más estereotipado o consistente.
¿Cómo genera el sistema nervioso programas motores variables? Recientemente, investigadores de la Universidad de Nanjing en Nanjing y el Laboratorio Peng Cheng en Shenzhen, en colaboración con colegas en Mount Sinai en Nueva York, estudiaron el programa motor para alimentarse en el sistema nervioso simple del caracol marino Aplysia. Estos investigadores identificaron un mecanismo fundamental importante por el cual la variabilidad en la fuerza de las entradas excitatorias al generador de patrón central de alimentación da como resultado la flexibilidad en el programa motor de alimentación. Cuando una neurona proporciona información a otra, a menudo induce una respuesta eléctrica, es decir, un potencial postsináptico. Durante mucho tiempo se ha reconocido que los potenciales postsinápticos únicos son generalmente subumbrales para desencadenar una respuesta postsináptica. Además, la amplitud del potencial postsináptico generalmente varía sustancialmente con el tiempo, incluso en menos de una décima de segundo. Aunque esto puede parecer subóptimo, los autores demuestran que bajo ciertas condiciones, esta variabilidad puede traducirse en flexibilidad de comportamiento.
El caracol marino Aplysia tiene relativamente pocas células nerviosas, y las mismas células nerviosas individuales tienen propiedades características y pueden ser reidentificado de un animal individual a otro. Aprovechando su capacidad para trabajar con neuronas identificadas, los autores demostraron que las entradas sinápticas de cualquiera de las dos neuronas identificadas aguas arriba pueden impulsar la actividad en una neurona generadora de patrones central fundamental, que tiene un bajo nivel de excitabilidad. La entrada de una neurona aguas arriba es variable y bastante débil y no siempre hace que se dispare la neurona generadora de patrones. En consecuencia, los programas motores que se inducen cuando se activa esta celda aguas arriba son variables. Por el contrario, aunque la entrada de la segunda neurona aguas arriba es similarmente variable, es sustancialmente más fuerte. En consecuencia, la neurona generadora de patrones se excita de forma fiable y la salida del motor es mucho menos variable. Por lo tanto, si el circuito produce un patrón estereotipado o variable está determinado por qué neurona aguas arriba impulsa la actividad. Elegantes estudios de modelado computacional reforzaron los hallazgos fisiológicos y descubrieron conocimientos adicionales que aclararon las contribuciones específicas de la fuerza y la variabilidad sináptica a los diferentes grados de variabilidad del programa motor.
En resumen, los autores demuestran que la variabilidad en las entradas sinápticas combinado con el bajo nivel de excitabilidad de la neurona central generadora de patrones, proporciona al caracol la capacidad de cambiar a un patrón de comportamiento más variable. Investigaciones futuras revelarán si cambios similares en la variabilidad de los programas motores en mamíferos pueden explicarse mediante un mecanismo similar.
El estudio se publica en Science Advances.
Explore más
Las neuronas del ‘segundo cerebro’ mantienen el colon en movimiento Más información: «Mecanismos sinápticos para la variabilidad motora en una red de avance» Science Advances (2020). advances.sciencemag.org/content/6/25/eaba4856 Información de la revista: Science Advances
Proporcionado por la Facultad de Ciencias de la Vida de la Universidad de Nanjing Cita: La variabilidad sináptica proporciona adaptabilidad para el patrón motor rítmico (2020, 19 de junio) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-06-synaptic-variability-rhythmic-motor-pattern.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.