En neurofisiología , un pico dendrítico se refiere a un potencial de acción generado en la dendrita de una neurona . Las dendritas son extensiones ramificadas de una neurona. Reciben señales eléctricas emitidas por las neuronas en proyección y las transfieren al cuerpo celular, o soma . La señalización dendrítica se ha considerado tradicionalmente como un modo pasivo de señalización eléctrica. A diferencia de su axóncontraparte que puede generar señales a través de potenciales de acción, se creía que las dendritas solo tenían la capacidad de propagar señales eléctricas por medios físicos: cambios en la conductancia, longitud, área de sección transversal, etc. Sin embargo, la existencia de picos dendríticos fue propuesta y demostrada por W Alden Spencer, Eric Kandel , Rodolfo Llinás y colaboradores en la década de 1960 [1] [2] y una gran cantidad de evidencia ahora deja en claro que las dendritas son estructuras neuronales activas. Las dendritas contienen canales iónicos activados por voltaje que les dan la capacidad de generar potenciales de acción. Se han registrado picos dendríticos en numerosos tipos de neuronas en el cerebro y se cree que tienen grandes implicaciones en la comunicación neuronal.memoria y aprendizaje . Son uno de los principales factores de potenciación a largo plazo .
Un pico dendrítico se inicia de la misma manera que el potencial de acción axonal. La despolarización de la membrana dendrítica hace que se abran los canales iónicos activados por voltaje de sodio y potasio. La entrada de iones de sodio provoca un aumento de voltaje. Si el voltaje aumenta más allá de un cierto umbral, la corriente de sodio activa otros canales de sodio activados por voltaje que transmiten una corriente a lo largo de la dendrita. Los picos dendríticos se pueden generar a través de canales activados por voltaje tanto de sodio como de calcio. Los picos dendríticos suelen transmitir señales a un ritmo mucho más lento que los potenciales de acción axonales . [3] Los umbrales de voltaje local para la iniciación de picos dendríticos suelen ser más altos que los de iniciación del potencial de acción en el axón; por lo tanto, la iniciación de picos generalmente requiere una entrada fuerte. [4]
Canales activados por voltaje
Canal de sodio regulado por voltaje
Los canales de sodio activados por voltaje son proteínas que se encuentran en la membrana de las neuronas. Cuando se activan eléctricamente, permiten el movimiento de iones de sodio a través de una membrana plasmática . Estos canales son responsables de la propagación de señales eléctricas en las células nerviosas. Los canales de sodio activados por voltaje se pueden dividir en dos subunidades: alfa y beta. Se ha identificado una variedad de canales de sodio dependientes de voltaje de subunidad alfa. Los canales de sodio activados por voltaje que se encuentran en los mamíferos se pueden dividir en tres tipos: Nav1.x, Nav2.x y Nav3.x. Los canales de sodio Nav1.x están asociados con el sistema nervioso central . Nav1.1, Nav2.2 y Nav1.6 son tres isoformas de los canales de sodio dependientes de voltaje que están presentes en niveles altos en el sistema nervioso central del cerebro de una rata adulta. [5] Estos canales han sido bien documentados en la membrana axonal del sistema nervioso central. Nav1.2 se ha identificado principalmente en axones amielínicos, mientras que se han observado altas concentraciones de Nav1.6 en los nodos de Ranvier de axones. [6] Nav1.6 se ha identificado en las dendritas de las neuronas CA1 del hipocampo que generan picos dendríticos; la densidad de Nav1.6 en estas neuronas es 35-80 veces menor que en los segmentos iniciales de axones. [7]
La distribución de los canales de sodio dependientes de voltaje a lo largo de la membrana dendrítica juega un papel crucial en la capacidad de las dendritas para propagar una señal. Los umbrales altos de la membrana dendrítica a menudo dificultan la iniciación de picos dendríticos. Sin embargo, el aumento de la densidad de los canales de sodio activados por voltaje puede reducir la amplitud de una señal necesaria para iniciar un pico. Se han observado agrupaciones de canales de sodio dependientes de voltaje en las sinapsis de la neurona del globo pálido . [8] También se ha demostrado mediante modelos computacionales dendríticos que la amplitud umbral de una conductancia sináptica necesaria para generar un pico dendrítico es significativamente menor si los canales de sodio activados por voltaje se agrupan en la sinapsis. [8] El mismo tipo de canales activados por voltaje puede diferir en la distribución entre el soma y la dendrita dentro de la misma neurona. No parece haber un patrón general de distribución para los canales activados por voltaje dentro de las dendritas. Diferentes dendritas neuronales exhiben diferentes patrones de densidad que están sujetos a cambios durante el desarrollo y pueden ser modulados por neurotransmisores . [4]
Canal de calcio dependiente de voltaje
Al igual que los canales de sodio activados por voltaje , los canales de calcio activados por voltaje también son proteínas de membrana integrales que se encuentran en la membrana plasmática. Los canales de calcio activados por voltaje generan potenciales de acción mediante los mismos mecanismos que los canales de sodio activados por voltaje. En las neuronas se han identificado varios canales de calcio dependientes de voltaje. Los canales de calcio dependientes de voltaje de tipo N y P / Q son los subtipos principales que se encuentran para apoyar la transmisión sináptica. [9] Estos canales se concentran en las terminales nerviosas . Se han encontrado canales de calcio dependientes de voltaje de tipo T y tipo R en dendritas basales, y se cree que la activación de estos canales durante ráfagas de potencial de acción conduce a la generación de picos de calcio dendríticos. [10] Los canales de tipo T y de tipo R son todos parte de la clase de subunidades alfa 1 de canales de calcio.
Los diversos tipos de canales de calcio dependientes de voltaje dan como resultado dos formas de activación de voltaje: corrientes de calcio activadas por bajo voltaje (LVA) y activadas por alto voltaje (HVA). En los núcleos cerebelosos profundos, las corrientes de calcio no se distribuyen uniformemente a lo largo de una dendrita. [11] La fuerza relativa de las corrientes de calcio LVA está significativamente más concentrada en el extremo distal de las dendritas. La distribución desigual de las corrientes de calcio LVA sugiere el importante papel de las corrientes de calcio LVA en la integración dendrítica en las entradas sinápticas. [11]
Canal de potasio dependiente de voltaje
Los canales de potasio activados por voltaje son otro conjunto de canales activados por voltaje que desempeñan un papel importante en la iniciación de picos dendríticos. Los canales de potasio activados por voltaje, similares a los canales de sodio y calcio activados por voltaje, facilitan el movimiento de cationes a través de la membrana plasmática. Pero a diferencia de los canales de sodio y calcio activados por voltaje, el canal de potasio activado por voltaje mueve los cationes fuera de la célula, lo que tiene un efecto inhibidor sobre la iniciación de picos dendríticos.
El canal de potasio transitorio de tipo A activado por voltaje es un canal específico que juega un papel clave en la iniciación de picos dendríticos. La densidad de los canales de sodio y calcio dependientes de voltaje es similar tanto en las dendritas como en los axones; sin embargo, la membrana dendrítica es mucho menos excitable que la membrana axonal. [12] La diferencia en la excitabilidad se puede atribuir a la presencia de estos canales de potasio activados por voltaje. Los canales de potasio activados por voltaje inhiben la capacidad de las dendritas para generar potenciales de acción y disminuyen la amplitud de los picos dendríticos al aumentar la distancia del soma. La capacidad de los canales de potasio dependientes de voltaje para modular la señalización dendrítica puede tener efectos significativos sobre la plasticidad sináptica .
Iniciación de picos
Potencial de acción
Los potenciales de acción iniciados en el axón normalmente viajan por el axón alejándose del soma. Sin embargo, también es posible que un potencial de acción viaje en la dirección opuesta, invada el soma y luego viaje por la dendrita como un pico dendrítico. [13] Esta señal retrógrada proporciona información a la sinapsis de que la neurona ha disparado una salida. [4] La eficacia de la señal varía entre los diferentes tipos de neuronas. Por ejemplo, la propagación hacia atrás de los potenciales de acción es muy limitada en las células cerebelosas de Purkinje [14], pero es bastante frecuente en las interneuronas de la capa ganglionar media del lóbulo similar al cerebelo de algunos peces. [15]
Entrada sináptica
Los potenciales de acción pueden generarse primero en la dendrita si son estimulados por fuertes entradas sinápticas sinápticas. [16] La capacidad de una dendrita para iniciar un potencial de acción no solo depende en gran medida de la entrada sináptica, sino también del número de canales activados por voltaje y la densidad de canales activados por voltaje presentes en la membrana.
Suma espacial
La iniciación de un pico dendrítico a través de una única entrada sináptica fuerte no garantiza que el pico se propague de forma fiable a largas distancias. [17] Si se activan simultáneamente varias sinapsis, se pueden formar picos dendríticos a través de la suma espacial . La suma espacial implica la adición de múltiples señales de entrada que dan como resultado una señal más grande y posiblemente un pico dendrítico. Se ha demostrado que las neuronas CA1 del hipocampo producen una propagación confiable de picos dendríticos a través de la suma espacial de múltiples entradas sinápticas. En el hipocampo , las neuronas CA1 contienen dos regiones distintivas que reciben entradas sinápticas excitatorias: la ruta perforante (PP) a través del mechón dendrítico apical (500-750 μm desde el soma) y la colateral de Schaffer (SC) a través de las dendritas basales y apicales. (250-500 μm de soma). [17] Los estudios muestran que la estimulación individual de PP o SC no fue suficiente para permitir que un pico dendrítico inicie un potencial de acción. Sin embargo, se demostró que cuando se producía un pico dendrítico debido a las estimulaciones de PP, la presencia de una estimulación de SC determinaba si la señal se propagaría o no al soma. [17]
Propagación de picos
Propagación hacia atrás
Los picos dendríticos se propagan más comúnmente hacia atrás desde el soma hasta las ramas dendríticas distales [ cita requerida ] . La propagación hacia atrás cumple una serie de funciones en la neurona, y estas funciones varían según el tipo de neurona. En general, la propagación hacia atrás sirve para comunicar información de salida a la membrana postsináptica. [4] En muchas neuronas que liberan neurotransmisores, la propagación hacia atrás de los picos dendríticos indica la liberación de neurotransmisores. [18] Por ejemplo, las células mitrales parecen servir tanto como neuronas de proyección como interneuronas locales. Si la producción axonal de la célula mitral se detiene por inhibición somática, los potenciales de acción dendríticos locales hacen que la célula mitral libere neurotransmisores al medio ambiente. [18] Se ha demostrado la propagación hacia atrás de los picos dendríticos en varios tipos de neuronas en el cerebro, pero rara vez se ha estudiado fuera del cerebro [ cita requerida ] . Además de las neuronas en el cerebro, se han observado picos dendríticos en las neuronas de la médula espinal [ cita requerida ] .
Propagación hacia adelante
La propagación hacia adelante de los picos dendríticos se inicia debido a la actividad sináptica y se refiere a la transmisión de la señal hacia el soma. [17] La fuerza de la estimulación sináptica necesaria para generar un pico dendrítico varía entre los tipos de neuronas. Las neuronas que reciben relativamente pocas entradas no pueden depender de la suma espacial y, por lo tanto, deben depender de entradas sinápticas más fuertes. Algunas neuronas relativamente no ramificadas, como la neurona del globo pálido, evitan la necesidad de una entrada sináptica fuerte al aumentar las concentraciones de canales de sodio activados por voltaje en la sinapsis. [8] Otras neuronas más ramificadas, como las neuronas piramidales , se basan en la suma espacial de múltiples entradas para generar picos dendríticos que se propagan hacia adelante. La propagación hacia adelante no se comprende bien y se dedica mucha investigación al tema [ cita requerida ] . Está pensado por la mayoría de los expertos
que este fenómeno no ocurre en neuronas fuera del cerebro.
Plasticidad dependiente de la sincronización de los picos
La plasticidad dependiente del tiempo de picos (STDP) se refiere a los cambios funcionales en una neurona y su sinapsis debido a los potenciales de acción dependientes del tiempo. Cuando un potencial de acción alcanza la membrana presináptica, abre canales de calcio dependientes de voltaje, lo que provoca un influjo de calcio. La entrada de calcio libera vesículas llenas de neurotransmisores, generalmente glutamato, hacia la hendidura sináptica . Los neurotransmisores se unen a los receptores de la membrana postsináptica que abren los canales activados por el ligando, lo que hace que la membrana se despolarice.
Los receptores NMDA se encuentran a lo largo de la membrana postsináptica y actúan como un detector de coincidencias. El NMDA detecta tanto el glutamato liberado por las vesículas presinápticas como la despolarización de la membrana postsináptica. El receptor de NMDA exhibe bloqueo dependiente de voltaje por iones magnesio. La despolarización de la membrana postsináptica (es decir, pico dendrítico que se propaga hacia atrás) hace que el ión magnesio se elimine del canal, lo que favorece la apertura del canal. La activación del receptor de NMDA permite así la entrada de calcio. Las neuronas que "disparan juntas, se conectan juntas" se refieren al fortalecimiento de las conexiones sinápticas a través de los receptores NMDA cuando la liberación de glutamato coincide con la despolarización postsináptica. [3] Esta forma de cableado se conoce como potenciación a largo plazo . La conexión sináptica también puede debilitarse cuando la actividad de las neuronas no está correlacionada, lo que también se conoce como depresión a largo plazo .
La dependencia de la despolarización postsináptica en STDP indica la importancia de los picos dendríticos. En general, la despolarización postsináptica ocurre coincidentemente con la actividad presináptica cuando una señal que se propaga hacia atrás alcanza la membrana postsináptica. Los picos dendríticos permiten que las señales de propagación hacia atrás alcancen y despolaricen la membrana postsináptica. El fortalecimiento y debilitamiento de las conexiones sinápticas es un método propuesto para la formación y el aprendizaje de la memoria.
Metodos experimentales
Liberación de glutamato de dos fotones
La liberación de glutamato de dos fotones, un tipo de fotoestimulación , se ha convertido en la principal herramienta para estudiar los picos dendríticos debido a su alto nivel de precisión. [19]
Abrazadera de parche
El registro de pinza de parche se utiliza para medir la actividad eléctrica en las neuronas. La técnica utiliza una micropipeta de vidrio de punta abierta de un micrómetro de diámetro para succionar la membrana de una célula. La pipeta se llena con una solución iónica y se coloca un alambre de plata en la solución para conducir y amplificar las señales eléctricas. La solución de iones se puede variar y los fármacos se pueden administrar a través de la micropipeta para estudiar los efectos de la corriente en diversas condiciones. A menudo se aplican antagonistas de receptores y de canales dependientes de voltaje (es decir, se utiliza níquel para bloquear los receptores de NMDA) para estudiar los efectos de los canales iónicos sobre la iniciación de picos dendríticos. [10] La inyección de corriente a menudo se combina con grabaciones de pinza de parche para observar la modulación de corriente debido a varios factores experimentales.
Electrofisiología extracelular
También se ha demostrado que los métodos de registro de tetrodos permiten ocasionalmente la observación de los potenciales de la membrana dendrítica y los potenciales de acción dendríticos. [20] Curiosamente, el paradigma de registro crónico que demostró esto también mostró que las propiedades de voltaje dendrítico exhibían mapas espaciales egocéntricos comparables a las neuronas piramidales. Este raro fenómeno puede deberse a una vaina glial [21] que se forma alrededor de las puntas del tetrodo, creando un mar de alta impedancia, similar a un sello de gigaohmios en los registros de parches , que permite realizar una medición de voltaje tan pequeña y localizada.
Tinción y etiquetado
Las técnicas de tinción y etiquetado se utilizan a menudo en microscopía para ayudar a identificar estructuras específicas en una célula. La tinción generalmente implica el uso de tintes que son absorbidos por diversas estructuras celulares a diferentes velocidades. El etiquetado implica el uso de fluorescencia para identificar moléculas específicas. Los fluoróforos , moléculas fluorescentes, pueden unirse o unirse directamente a un anticuerpo para detectar un objetivo específico. En el caso de los picos dendríticos, la tinción y el etiquetado se utilizan para identificar y cuantificar la presencia de ciertos canales activados por voltaje. Por ejemplo, se han utilizado anticuerpos policlonales de conejo producidos contra secuencias de péptidos sintéticos para identificar la presencia de canales de sodio Nav1.2, Nav1.3 y Nav1.6 en las dendritas de la neurona del globo pálido. [8]
Modelado computacional
El modelado computacional de neuronas, redes neuronales artificiales , se ha convertido en una herramienta muy popular para investigar las propiedades de la señalización neuronal. Estos modelos se basan en redes neuronales biológicas. El modelado computacional se puede utilizar para estudiar neuronas individuales, grupos de neuronas o incluso redes de neuronas. Este campo ha generado mucho interés y sirve como herramienta para todas las ramas de la investigación en neurociencia, incluida la iniciación de picos dendríticos.
Referencias
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