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El acoplamiento efáptico es una forma de comunicación dentro del sistema nervioso y es diferente de los sistemas de comunicación directa como las sinapsis eléctricas y las sinapsis químicas . Puede referirse al acoplamiento de fibras nerviosas adyacentes (en contacto) causado por el intercambio de iones entre las células, o puede referirse al acoplamiento de fibras nerviosas como resultado de campos eléctricos locales. [1] En cualquier caso, el acoplamiento efáptico puede influir en la sincronización y el tiempo de activación del potencial de acción en las neuronas. Se cree que la mielinización inhibe las interacciones efápticas. [2]

Historia y etimología

La idea de que la actividad eléctrica generada por el tejido nervioso puede influir en la actividad del tejido nervioso circundante se remonta a finales del siglo XIX. Los primeros experimentos, como los de du Bois-Reymond, [3] demostraron que la activación de un nervio primario puede inducir la activación de un nervio secundario adyacente (denominado "excitación secundaria"). Sin embargo, este efecto no se exploró cuantitativamente hasta los experimentos de Katz y Schmitt [4] en 1940, cuando los dos exploraron la interacción eléctrica de dos nervios de las extremidades adyacentes del cangrejo Carcinus maenas . Su trabajo demostró que la progresión del potencial de acción en el axón activo provocó cambios de excitabilidad en el axón inactivo. Estos cambios se atribuyeron a lacorrientes locales que forman el potencial de acción. Por ejemplo, las corrientes que provocaron la despolarización (excitación) del nervio activo provocaron la correspondiente hiperpolarización (depresión) de la fibra adyacente en reposo. Asimismo, las corrientes que provocaron la repolarización del nervio activo provocaron una ligera despolarización en la fibra en reposo. Katz y Schmitt también observaron que la estimulación de ambos nervios podría causar efectos de interferencia. El disparo simultáneo del potencial de acción causó interferencia y resultó en una disminución de la velocidad de conducción , mientras que la estimulación ligeramente compensada resultó en la sincronización de los dos impulsos.

En 1941 Arvanitaki [5] exploró el mismo tema y propuso el uso del término "ephapse" (del griego ephapsis y que significa "tocar") para describir este fenómeno y distinguirlo de la transmisión sináptica. Con el tiempo, el término acoplamiento efáptico se ha utilizado no solo en casos de interacción eléctrica entre elementos adyacentes, sino también de manera más general para describir los efectos inducidos por cualquier cambio de campo a lo largo de la membrana celular. [6]

Mecanismo y efectos

Papel en la excitación y la inhibición

El trabajo inicial realizado por Katz y Schmitt demostró que el acoplamiento efáptico entre los dos nervios adyacentes era insuficiente para estimular un potencial de acción en el nervio en reposo. En condiciones ideales, la despolarización máxima observada fue aproximadamente el 20% del estímulo umbral . [4] Sin embargo, las condiciones pueden manipularse de tal manera que el potencial de acción de una neurona se pueda propagar a una neurona vecina. Esto se logró en un estudio en dos condiciones experimentales: aumento de las concentraciones de calcio, lo que redujo el potencial umbral, o sumergiendo los axones en aceite mineral, lo que aumentó la resistencia. Si bien estas manipulaciones no reflejan las condiciones normales, sí destacan los mecanismos detrás de la excitación efáptica. [7]

También se ha descubierto que el acoplamiento efáptico juega un papel importante en la inhibición de neuronas vecinas. Dependiendo de la ubicación y la identidad de las neuronas, se ha descubierto que varios mecanismos subyacen a la inhibición efáptica. En un estudio, las neuronas vecinas recién excitadas interfirieron con corrientes ya sostenidas, reduciendo así el potencial extracelular y despolarizando la neurona en relación con su entorno circundante, inhibiendo efectivamente la propagación del potencial de acción. [8]

Papel en la sincronización y el tiempo

Los estudios de acoplamiento efáptico también se han centrado en su papel en la sincronización y el tiempo de los potenciales de acción en las neuronas. En el caso más simple de fibras adyacentes que experimentan estimulación simultánea, el impulso se ralentiza porque ambas fibras se limitan a intercambiar iones únicamente con el líquido intersticial (aumentando la resistencia del nervio). Los impulsos ligeramente compensados ​​(velocidades de conducción que difieren en menos del 10%) pueden intercambiar iones de manera constructiva y los potenciales de acción se propagan ligeramente fuera de fase a la misma velocidad.

Sin embargo, la investigación más reciente se ha centrado en el caso más general de los campos eléctricos que afectan a una variedad de neuronas. Se ha observado que los potenciales de campo local en las neuronas corticales pueden servir para sincronizar la actividad neuronal. [9] Aunque se desconoce el mecanismo, se plantea la hipótesis de que las neuronas están acopladas efápticamente a las frecuencias del potencial de campo local. Este acoplamiento puede sincronizar eficazmente las neuronas en períodos de mayor excitabilidad (o depresión) y permitir patrones específicos de sincronización del potencial de acción (a menudo denominada sincronización de picos). Este efecto se ha demostrado y modelado en una variedad de casos. [10] [11]

Una hipótesis o explicación detrás del mecanismo es el efecto de "sincronización unidireccional", "maestro-esclavo" o "sincronización unidireccional" como propiedad matemática y fundamental de los sistemas dinámicos no lineales (osciladores como neuronas) para sincronizar bajo ciertos criterios. Este fenómeno se propuso y se predijo que sería posible entre dos neuronas de HR, desde 2010 en simulaciones y trabajos de modelado por Hrg. [12]También se demostró que dicha sincronización unidireccional o transferencia de copiar / pegar de la dinámica neuronal de las neuronas maestras a las esclavas podría exhibirse de diferentes maneras. Por lo tanto, el fenómeno no solo tiene un interés fundamental, sino que también se aplica desde el tratamiento de la epilepsia hasta los sistemas de aprendizaje novedosos. La sincronización de neuronas es, en principio, un comportamiento no deseado, ya que el cerebro tendría cero información o sería simplemente una bombilla si todas las neuronas se sincronizaran. Por lo tanto, es una hipótesis que la neurobiología y la evolución del cerebro se enfrentaron a formas de prevenir este comportamiento sincrónico a gran escala, utilizándolo más bien en otros casos especiales.

Ejemplos

Tejido cardíaco

El sistema de conducción eléctrica del corazón se ha establecido sólidamente. Sin embargo, investigaciones más recientes han desafiado algunos de los modelos previamente aceptados. El papel del acoplamiento efáptico en las células cardíacas es cada vez más evidente. Un autor incluso llega a decir: "Si bien anteriormente se veía como una posible alternativa al acoplamiento electrotónico, desde entonces se ha llegado a considerar que el acoplamiento efáptico funciona en conjunto con las uniones gap, lo que ayuda a mantener la conducción cuando el acoplamiento gap junction se ve comprometido". [13] Las interacciones efápticas entre las células cardíacas ayudan a llenar los vacíos que las sinapsis eléctricas por sí solas no pueden explicar. También hay una serie de modelos matemáticos que incorporan más recientemente el acoplamiento efáptico en las predicciones sobre la conductancia eléctrica en el corazón.[14] El trabajo experimental sugiere que los nanodominios ricos en canales de sodio ubicados en sitios de contacto estrecho entre miocitos cardíacos pueden constituir unidades funcionales de acoplamiento efáptico y la interrupción selectiva de estos nanodominios provocó una disminución de la conducción arritmogénica, lo que sugiere un papel importante para el acoplamiento efáptico en el corazón. [15]

Epilepsia y convulsiones

Los ataques epilépticos ocurren cuando hay sincronía de ondas eléctricas en el cerebro. Conociendo el papel que juega el acoplamiento efáptico en el mantenimiento de la sincronía en las señales eléctricas, tiene sentido buscar mecanismos efápticos en este tipo de patologías. Un estudio sugirió que las células corticales representan un lugar ideal para observar el acoplamiento efáptico debido al apretado empaquetamiento de los axones, lo que permite interacciones entre sus campos eléctricos. Probaron los efectos de cambiar el espacio extracelular (que afecta a los campos eléctricos locales) y descubrieron que se puede bloquear la sincronización epiléptica independientemente de la manipulación química de la sinapsis simplemente aumentando el espacio entre las células. [dieciséis]Posteriormente, se creó un modelo para predecir este fenómeno y mostró escenarios con mayor espaciamiento extracelular que bloquearon efectivamente la sincronización epiléptica en el cerebro. [17]

Sistema olfativo en el cerebro

Las neuronas del sistema olfativo no están mielinizadas y están densamente empaquetadas, por lo que los efectos, a menudo pequeños, del acoplamiento efáptico se ven más fácilmente. Varios estudios han demostrado cómo funciona la inhibición entre las neuronas del sistema olfativo para afinar la integración de señales en respuesta al olor. Se ha demostrado que esta inhibición se produce solo por cambios en los potenciales eléctricos. [8] La adición de acoplamiento efáptico a los modelos de neuronas olfativas añade más apoyo al modelo de "línea dedicada" en el que cada receptor olfativo envía su señal a una neurona. La inhibición debida al acoplamiento efáptico ayudaría a explicar la integración de señales que da lugar a una percepción más matizada de los olores. [18]

Modelos matemáticos

Debido a los campos eléctricos muy pequeños producidos por las neuronas, a menudo se utilizan modelos matemáticos para probar una serie de manipulaciones. La teoría del cable es una de las ecuaciones matemáticas más importantes de la neurociencia. [19] Calcula la corriente eléctrica utilizando capacitancia y resistencia como variables y ha sido la base principal de muchas predicciones sobre el acoplamiento efáptico en neuronas. Sin embargo, muchos autores han trabajado para crear modelos más refinados con el fin de representar con mayor precisión los entornos del sistema nervioso. Por ejemplo, muchos autores han propuesto modelos para el tejido cardíaco que incluyen variables adicionales que dan cuenta de la estructura y geometría únicas de las células cardíacas [14], con diferentes escalas de tamaño, [20]o electrodifusión tridimensional. [21]

Modelos animales

Axones gigantes de calamar

En 1978, se estaban realizando pruebas básicas en axones gigantes de calamar con el fin de encontrar evidencia de eventos efápticos. Se demostró que un potencial de acción de un axón podría propagarse a un axón vecino. El nivel de transmisión varió, desde cambios por debajo del umbral hasta el inicio de un potencial de acción en una célula vecina, pero en todos los casos, fue evidente que hay implicaciones del acoplamiento efáptico que son de importancia fisiológica. [7]

Médula espinal y médula de rata

Un estudio probó los efectos del acoplamiento efáptico mediante el uso de antagonistas de neurotransmisores para bloquear las sinapsis químicas y bloqueadores de las uniones gap para bloquear las sinapsis eléctricas. Se encontró que todavía se mantenía la descarga eléctrica rítmica asociada con las neuronas fetales en la médula espinal y la médula de la rata. Esto sugiere que las conexiones entre las neuronas todavía existen y funcionan para difundir señales incluso sin sinapsis tradicionales. Estos hallazgos respaldan un modelo en el que el acoplamiento efáptico funciona junto con las sinapsis canónicas para propagar señales a través de las redes neuronales. [22]

Células de Purkinje de rata del cerebelo

Uno de los pocos casos conocidos de un sistema funcional en el que el acoplamiento efáptico es responsable de un evento fisiológico observable es en las células de Purkinje del cerebelo de rata. [23] En este estudio se demostró que las células en cesta que encapsulan algunas regiones de las fibras de Purkinje pueden causar efectos inhibidores sobre las células de Purkinje. La activación de estas células en cesta, que se produce más rápidamente que en las células de Purkinje, atrae corriente a través de la célula de Purkinje y genera un potencial hiperpolarizante pasivo que inhibe la actividad de la célula de Purkinje. Aunque el papel funcional exacto de esta inhibición aún no está claro, es muy posible que tenga un efecto de sincronización en las células de Purkinje, ya que el efecto efáptico limitará el tiempo de activación.

Se ha estudiado un efecto efáptico similar en las células de Mauthner de los teleósteos . [24]

Escepticismo

Si bien la idea de interacciones no sinápticas entre neuronas existe desde el siglo XIX, históricamente ha existido mucho escepticismo en el campo de la neurociencia. Mucha gente creía que los microcampos eléctricos producidos por las propias neuronas eran tan pequeños que eran insignificantes. [18]Si bien muchos partidarios de la teoría del acoplamiento efáptico han estado tratando de probar su existencia a través de experimentos que bloquean las sinapsis tanto químicas como eléctricas, todavía algunos oponentes en el campo expresan cautela. Por ejemplo, en 2014, un científico publicó una revisión que presenta su escepticismo sobre la idea del acoplamiento efáptico, diciendo: “El acuerdo entre sus simulaciones y los datos de Poelzing es impresionante, pero necesitaré una confirmación experimental más definitiva antes de poder abrazar el ephaptic hipótesis." [25]Él basa su cautela en querer una mayor distinción entre la propagación de carga de las uniones gap y el verdadero acoplamiento efáptico. Ya sea que se trate de una verdadera falta de evidencia o simplemente de obstinación ante el cambio, muchos en el campo aún no están del todo convencidos de que haya evidencia inequívoca de acoplamiento efáptico. La investigación continúa y en 2018 se anunciaron resultados sorprendentes [26] [ se necesitan más explicaciones ]

Ver también

  • Conducción saltatoria
  • Electroencefalografía
  • Coherencia de campo de picos
  • NeuroElectrodinámica
  • Teoría del cable
  • Potencial de campo local

Referencias

  1. ↑ Aur D., Jog, MS. (2010) Neuroelectrodinámica: comprensión del lenguaje cerebral , IOS Press, doi : 10.3233 / 978-1-60750-473-3-i
  2. ^ Hartline DK (mayo de 2008). "¿Qué es la mielina?". Biología de Neuron Glia . 4 (2): 153–63. doi : 10.1017 / S1740925X09990263 . PMID  19737435 .
  3. ^ Wilhelm Biedermann (1898). Electrofisiología . Macmillan. págs. 270–.
  4. ↑ a b Katz B, Schmitt OH (febrero de 1940). "Interacción eléctrica entre dos fibras nerviosas adyacentes" . J. Physiol. (Lond.) . 97 (4): 471–88. doi : 10.1113 / jphysiol.1940.sp003823 . PMC 1393925 . PMID 16995178 .  
  5. ^ Arvanitaki A (1942). "Efectos evocados en un axón por la actividad de un contiguo". Revista de neurofisiología . 5 (2): 89–108. doi : 10.1152 / jn.1942.5.2.89 . ISSN 0022-3077 . 
  6. ^ Jefferys JG (octubre de 1995). "Modulación no sináptica de la actividad neuronal en el cerebro: corrientes eléctricas e iones extracelulares". Physiol. Rev . 75 (4): 689–723. doi : 10.1152 / physrev.1995.75.4.689 . PMID 7480159 . 
  7. ↑ a b Ramón F, Moore JW (1978). "Transmisión efáptica en axones gigantes de calamar". Soy. J. Physiol . 234 (5): C162–9. doi : 10.1152 / ajpcell.1978.234.5.C162 . PMID 206154 . 
  8. ↑ a b Van der Goes van Naters W (2013). "Inhibición entre neuronas receptoras olfativas" . Frente Hum Neurosci . 7 : 690. doi : 10.3389 / fnhum.2013.00690 . PMC 3805947 . PMID 24167484 .  
  9. ^ Anastassiou CA, Perin R, Markram H, Koch C (febrero de 2011). "Acoplamiento efáptico de neuronas corticales". Nat. Neurosci . 14 (2): 217-23. doi : 10.1038 / nn.2727 . PMID 21240273 . S2CID 7836328 .  ( enlace directo al texto completo )
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